近年来，蓝相液晶（BPLCs）因其独特的三维手性立方晶体结构与卓越的光学调控能力，在柔性显示、高安全加密以及智能传感等光子技术前沿领域展现出巨大应用潜力。尤其在实现角度依赖结构色调控、多维光场操控与响应型光学功能器件开发方面，蓝相液晶被视为下一代动态光子器件的核心材料之一。然而，由于其晶格结构在实际应用中易发生对称或非对称形变，其所带来的三维光学衍射变化尚缺乏系统的量化建模与预测手段，严重制约了其器件化发展与精确光场调控能力的提升。

近日，中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员团队在蓝相液晶复杂变形光学响应研究方面取得重要进展。团队提出了一种通用且高效的三维空间几何建模方法，实现了蓝相液晶在对称与非对称晶格变形条件下的衍射光学特性实时模拟与精确分析。相关成果以Quantitative 3D Diffractive Optics for Tunable Lattice Symmetry in Blue-Phase Liquid Crystals为题，发表在Laser & Photonics Reviews期刊上。

研究中，团队创新性地构建了基于Bragg衍射定律与数学空间几何建模的仿真框架，首次系统解析了蓝相液晶薄膜在不同晶格变形模式下的Kossel衍射响应规律。相比传统仅能应对理想结构或需依赖复杂算法的计算方法，该模型具备通用性强、效率高、可拓展性强的优势。研究揭示：在由手性掺杂剂浓度调控的对称晶格变形与由相分离或液晶小分子扩散引起的非对称晶格变形条件下，蓝相液晶展现出显著差异的非线性光学效应。通过对比分析对称与非对称变形状态下原位Kossel衍射的光学响应，揭示了衍射图样中关键参数的动态演变规律，为深入理解蓝相液晶晶格变形机制提供了理论支撑。此外，研究探讨了非对称变形过程中Kossel衍射图样与初始对称晶格参数之间的耦合关系，重点突出了在不同波长单色光照射下所表现出的光学响应差异与特征性变化。通过偏光显微镜与反射光谱表征，研究进一步印证了蓝相液晶表面及截面的非一致各向异性光子带隙响应特征。基于该数学定量模型，可在不同形变体系中精准识别不同晶面对应的角分辨透射光谱响应规律，为光子器件中实现复杂空间调控奠定了理论基础，展现出面向三维空间全向调控的巨大潜力。

该项工作不仅加深了对蓝相液晶结构-光学响应之间内在机制的理解，同时为开发基于BPLC材料的新一代三维激光器、全光开关、集成波导及全息显示器件等提供了量化设计理论支撑，有望推动动态光子领域的突破性发展。

本研究由王京霞研究员担任通讯作者，博士研究生杨文杰为论文第一作者。研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52373001等）及中荷国际合作项目（1A1111 KYSB20190072）等的资助支持。

中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员团队长期深耕蓝相液晶（BPLCs）领域，并取得了一系列重要突破。例如，团队率先利用商用液晶材料成功制备出具有宽温域、高品质的蓝相液晶聚合物（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 9460）。在此基础上，通过透射电镜、同步辐射、2D光学表征等多种先进手段，揭示了蓝相液晶的马氏体转变机制（Nat. Commun. 2021, 12, 3477），并深入研究了聚合物蓝相液晶的光学热稳定性（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2412439）。进一步，团队开发了基于聚合物蓝相液晶的高品质激光谐振腔，通过调控带隙变化实现了单模、双模、三模及四模激射的可控调制（Adv. Mater. 2022, 34, 2108330）。通过优化聚合物蓝相液晶的组成及聚合度，团队成功将蓝相激射的温域扩展至超过400℃（Adv. Mater. 2022, 34, 2206580; Adv. Mater. 2024, 36, 2308439）。团队还通过迈克尔加成反应制备了柔性蓝相液晶弹性体，并原位表征了其拉伸变形过程对晶格结构及光学性能的影响，研究了其宽温域的光学性能，及宽温域的拉伸激光性能（Adv. Mater. 2025, 37, 2416448）。此外，团队还将蓝相液晶模板应用于光子纸领域，通过将聚合物模板蓝相（PTBPs）与喷墨打印技术相结合，利用小分子液晶5CB作为墨水，实现了高精度“活”图案的制备（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110985），并突破性地实现了 3D手性色彩单元的可编程时空调控与加密（Adv. Mater. 2025, 37, 2411988），以及提出了制备结构连续且色彩均匀的双手性蓝相液晶（DH-BP）薄膜的优化方案（ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 18907）。此外，通过多种墨水的协同印刷技术，精准构建了具备温度-时间依赖性的动态图案（Adv. Funct. Mater. 2025, 2424107），进一步拓展了蓝相液晶在智能光子显示与信息加密领域的应用前景。

原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202402278

图1. 蓝相液晶（BPLCs）中三维晶格变形调控、多尺度表征及衍射光学的定量分析

图2. 立方BPI(110)晶格不同三维变形下动态Kossel衍射的几何定量分析

图3. 蓝相晶格变形系数（ψ，ω）及入射单色光波长（λ）对Kossel衍射图几何构型的影响

图4. 由BPI₍₁₁₀₎立方晶格变形参数决定的三维光学性质的对称与非对称调控

图5. 基于变形BPI立方晶格的空间角度依赖三维光学调控