Photonics Insights封面| Soft Mattonics：软物质光子学，用液晶编程光的无限维度
Photonics Insights2026年第1期综述：
封面解读：极性向列相液晶的织构形成了绵延山脉，而近晶相液晶拓扑结构呈现出点点星空——这两种液晶相的发现相隔一个世纪，象征着跨越百年时空的科学互动。日久弥新的软物质正成为光与物质相互作用的多功能新舞台！
导读
软物质光子学（Soft Mattonics）”因其能够借助可编程软材料实现对光场多维自由度的灵活调控，为突破传统刚性光学平台在可重构性、低功耗和多功能集成方面的限制提供了新思路，正在成为当前液晶光子学、结构光场调控与新型信息光学研究中的重要前沿方向。近期，南京大学陆延青教授团队撰写了题为 “Soft Mattonics: harnessing light with liquid crystals”的长篇综述，并发表于Photonics Insights。
该综述系统梳理了液晶作为典型软物质光子平台的发展脉络与研究进展，全面展示了其如何从传统显示与标量调制器件，逐步演进为能够实现高维、动态、可重构光场操控的多功能体系。文章围绕五条彼此关联的主线展开：从标量到矢量光场调控，实现偏振与相位的协同控制；从自由空间到面内导光，推动柔性集成光路与软光子器件发展；从线性到非线性光学过程，拓展至二次谐波与可重构非线性几何相位调控；从空间到时空光场塑形，实现复杂结构化波包的构造；以及从被动调制到主动发光，发展液晶体系中的可调谐激光与高效发光平台。
综述进一步强调，液晶不仅能够“调光”“导光”，还能够“生光”，从而使软物质光子学成为一个兼具多自由度调控、低功耗、可重构和信息导向特征的新型光子材料平台。作者希望通过构建统一的物理图景与研究框架，阐明液晶软物质如何贯通基础光学机理与新兴应用场景，进而推动自适应光学、高容量光通信、可穿戴与生物医学光子学、量子光学等方向的交叉发展。相信这篇综述将为相关领域研究人员提供有价值的参考，也为刚进入该方向的青年学者建立系统认知、获取研究灵感，并为软物质光子学的进一步发展提供新的思路。
Fig. 1基于液晶的软物质光子学
一、标量到矢量
作者系统回顾了液晶光子学从传统标量光场调控迈向矢量光场操控的发展脉络，全面展示了液晶作为典型软物质平台在高维光场信息调控方面的独特优势。该部分从液晶的基本物理出发，围绕光学各向异性、双折射效应以及电控、光控取向等经典机制，阐明了液晶能够实现可编程光场调控的根本原因，并进一步结合图案化透射液晶、胆甾相液晶和蓝相液晶等典型体系，系统介绍了液晶在传播相位、几何相位、波长选择和偏振选择等多个维度上的调控能力。
在此基础上，作者重点梳理了液晶在标量光学中的代表性进展，包括基于液晶空间光调制器的全息成像、波前整形、结构光产生以及自适应光学等应用，指出液晶早期已在振幅和相位控制方面奠定了坚实基础。随着PB几何相位器件、图案化光配向技术和平面液晶器件的发展，液晶光子学开始突破传统标量调控框架，逐渐进入振幅、相位与偏振联合设计的矢量光学阶段。通过空间变化的液晶取向结构，研究者能够生成径向矢量光、方位矢量光、携带轨道角动量的涡旋光及更复杂的混合矢量光场，从而显著提升光场的信息承载维度，并拓展其在精密成像、光通信、信息编码和量子态调控中的应用潜力。
该章节还进一步总结了平面液晶器件、矢量全息、任意矢量波前生成以及光学斯格明子等前沿方向，展示了液晶平台如何从单一参数调控逐步走向高维、多自由度和可重构的光场调控体系。总体来看，“从标量到矢量”的演进不仅体现了液晶光子学在基础物理和器件实现上的持续突破，也表明液晶软物质平台正从传统显示与调制介质，发展为面向下一代高维光信息处理的重要技术基础。这一部分的系统总结，为理解液晶在结构光场、信息光学和拓扑光子学中的作用提供了清晰脉络，也为相关领域研究者提供了有价值的参考。
Fig. 2基于液晶的矢量波前调控
二、自由空间到面内导光
在传统光学体系中，液晶多被视为调制自由空间光束的介质，主要用于波前、偏振与相位控制。随着取向工程与平面器件技术的发展，这一认知正在被重塑：液晶不仅能够调控自由空间光场，还可在薄膜内引导、转向并重构光路，实现“面内光学”（in-plane photonics）。本章节围绕这一转变，系统梳理了液晶从“外部调控”走向“面内传播”的关键进展。
光波导是面内光学的基础单元，发展基于液晶的导光结构成为自然路径。一方面，液晶可与成熟半导体工艺融合，实现可调谐波导与片上器件；另一方面，依托其可编程取向有序性，纯液晶体系即可构建空间梯度折射率分布，从而形成渐变折射率（GRIN）波导。结合高分子聚合技术，这类结构还可被固化为独立柔性薄膜器件，在保持导光特性的同时具备可移植性。基于此，液晶面内导光呈现出多样实现范式：连续取向结构可实现光束弯折与聚焦，拓扑缺陷则可诱导强散射，体现出液晶作为“可编程光学势场”的本质特征。
相比于基础器件层面的发展，更具突破性的在于：液晶面内光学为复杂物理过程提供了实验模拟平台。在取向液晶薄膜中，光的传播持续受到各向异性折射率场调制，在二维平面内呈现弯折、聚焦、分裂乃至闭合轨道等复杂演化行为，可视为一种可调控的“二维光流体”。在此框架下，多类复杂光学现象得以统一描述。以光孤子为例，其源于液晶中的非线性响应：光诱导分子重取向改变局域折射率，反过来实现自聚焦并形成稳定传播的波包。在手性向列相液晶中，液晶斯格明子等拓扑结构进一步引入光与拓扑缺陷的耦合动力学，催生新的相互作用模式。与此同时，借助图案化光配向技术，可构建任意指向矢场分布，将变换光学引入液晶体系，实现对光路径的等效空间映射，例如模拟类宇宙弦背景下的光束偏折。
当体系进一步拓展至弱无序介质，液晶面内光学开始触及复杂系统物理核心问题。在弱无序液晶波导中，随机折射率扰动会引发“光分支流”现象：光线在传播中经历多次微扰并自组织汇聚，形成树枝状高强度通道，体现出从随机散射到有序结构的涌现行为。这为研究混沌输运与无序系统中的结构形成提供了直观平台。
总体而言，从自由空间调制到面内导光的转变，不仅拓展了液晶光子学的空间维度，也重塑了对光传播本质的理解：光不再只是被动传播的波，而是在可编程各向异性势场中演化的动力学实体。这一发展为后续非线性与强耦合光学过程奠定了基础，也为构建集“传播—调控—演化”于一体的软物质光子平台提供了关键支撑。
Fig. 3基于液晶弱无序平面波导的光分支流行为调控
三、线性到非线性
在传统液晶光学中，线性响应框架下的调控能力已被深入挖掘。通过线性极化响应以及各向异性折射率场分布，人们可对光场相位、偏振及传播路径实现精细操控，液晶由此成为高度可编程的软物质光学平台。然而，随着光强增加与光-物质相互作用程度深化，体系必然进入由非线性极化项主导的非线性区间。在此区间内，光场主动参与介质结构重构与能量转换，线性机制固有局限得以突破。
在从线性到非线性的关键跃迁中，铁电向列相液晶成为最具代表性的突破体系。铁电向列相液晶的核心特征在于自发极化，其分子体系宏观上呈现出稳定的极性有序结构，这一性质不仅直接赋予了材料本征的二阶非线性响应能力，还伴随一系列显著的性能优势，包括巨大介电常数、超快电场响应、高二阶非线性光学系数以及丰富的衍生相态。得益于此，倍频产生、参量过程等经典非线性光学效应，得以突破传统固体晶体的体系限制，在可重构的液晶体系中实现。
该章节总结了两类基于铁电向列相液晶的非线性光学应用范式。其一为倍频显微方法在极性织构中的应用。利用倍频信号对局域极化场的偏振依赖特性，倍频显微方法与倍频干涉测量为解析铁电向列相液晶中的自发极性拓扑织构提供了一种有效的非接触表征工具。其二为基于非线性几何相位的倍频光场调控（图4）。该几何相位由入射光子自旋、出射光子自旋与局域分子取向角共同决定，使得级联过程中自旋角动量与轨道角动量之间的可控转换成为可能，为可重构非线性光子学器件的实现奠定了物理基础。实验上，基于该原理已在铁电向列液晶q波片体系中演示了可调谐倍频光学涡旋的产生，并观察到高达0.86的非线性圆二色性，显示出强烈的偏振选择性。进一步结合离子掺杂与光控取向技术，研究人员实现了非线性几何相位光栅的电调谐衍射调控，以及基于极性中间相的无缺陷大面积面内极性图案化，为可重构非线性矢量光学器件提供了紧凑的实现路径。
更进一步，强非线性光学能力的引入推动了软物质光子学与量子光学的交叉发展。基于二阶自发下转换过程，液晶体系已初步展示出作为产生纠缠光子对的量子光源的潜力，其可重构结构同时为量子态调控提供了丰富自由度。这些研究进展标志着液晶光子学正从经典的线性相位调制平台，演进为兼具非线性转换、光场编码与量子态操控能力的新型软物质光子平台。
Fig. 4基于非线性几何相位的倍频光场调控
四、空间到时空
在传统液晶光学中，液晶器件主要用于空间维度上的光场调控，例如波前整形、偏振操控和结构光产生等。而随着超快光学与脉冲整形技术的发展，液晶的调控能力开始进一步从空间维度拓展到时空联合维度，推动液晶光子学迈向更高维度的光场调控。该综述指出，液晶空间光调制器（LC-SLM）与4f脉冲整形系统的结合，为时空光场调控提供了重要技术基础。在这一体系中，光谱被映射到空间维度，液晶器件可对不同频率分量的振幅与相位进行独立调制，从而在时域中重构出具有特定结构和传播特性的时空光场。
在此基础上，液晶平台已不再局限于传统意义上的空间光调制，而是能够进一步参与时空波包的构造与演化调控。综述总结了近年来时空波包研究中的代表性进展，指出通过精确设计光场的时空耦合关系，可以实现传播不变、群速度可调甚至负群速度等特殊传播行为。同时，时间维度的引入也使结构光场的拓扑性质获得了新的演化方式，例如时空涡旋、时空涡环、Hopfion以及轨道角动量随脉冲演化而变化的“光弹簧”等新型光场结构，均体现了时空联合调控所带来的新物理内涵。
更进一步，综述强调，时空光场调控并不是液晶功能的孤立延伸，而是与面内光学、非线性频率转换等方向形成了自然衔接。借助液晶体系的可重构性以及铁电向列相液晶等新材料带来的非线性能力，时空光束还可在同一软物质平台中实现传输、频率转换与再编码。这表明液晶正在从传统的空间调制介质，进一步发展为能够统一处理空间、时间、频率、偏振与拓扑等多维自由度的高维光场调控平台，也使软物质光子学在复杂信息光学与新型光场工程中的潜力进一步显现。
Fig. 5基于液晶的光场时空调控
五、被动到主动
长期以来，液晶在光子学中的主要作用，是对外来光进行调制，例如控制光的传播方向、相位延迟和偏振态。但该综述指出，随着有机发光分子、稀土发光材料和量子点等被引入液晶有序基体，液晶体系正在完成从“被动控光”到“主动发光”的重要转变。此时，液晶不再只是一个调制器，而是成为能够主动产生并精细组织发光信号的软物质平台。
这一转变的关键，在于液晶有序结构与发光单元之间形成了深度耦合。液晶既为发光材料提供取向模板，又通过手性结构、光子带隙和各向异性环境影响发光行为，使体系能够对发光波长、强度、偏振态乃至发光动力学进行协同调控。尤其是在胆甾相液晶等体系中，线偏振和圆偏振发光、手性放大以及可调激光发射等现象不断涌现，显示出液晶主动发光体系在多维光场调控上的独特优势。
综述进一步指出，得益于液晶对光、热、电、磁和力等刺激的敏感响应，发光液晶已经不再局限于“亮不亮、什么颜色”这样的传统调控，而是正在走向更加动态、可逆和可编程的高维发光控制。这使其在显示与照明、信息加密与防伪、柔性光电器件以及光诱导不对称合成等方向展现出广阔前景，也标志着液晶光子学正从经典的被动调制平台，迈向兼具发光、调控与信息编码能力的新型软物质光子平台。
Fig. 6代表性发光液晶体系
五、总结与展望
从最初改变显示技术的被动光场调控，到如今囊括全息矢量编码、片上导波、非线性频率转换、时空光场赋形乃至柔性主动发光，液晶正凭借其独特的软物质属性，被重新定义为一类可编程、高维度的信息光子学材料。作为本篇综述围绕的核心概念，“Soft Mattonics”（软物质光子学）不仅是对既有液晶光学研究范式的系统性凝练，亦是对一类多维光-物质相互作用研究平台的揭示与展望。
更为引人注目的是，软物质光子学正处在日新月异的快速发展阶段。成文之际，液晶在量子成像、光量子态多维操控等领域的研究不断涌现，其物理内涵已不再局限于经典光场的调控。从经典光电架构到量子信息系统的跨越，或将成为液晶光子学迈向下一发展阶段的关键新支点。
主要作者简介
陈伟（第一作者），南京大学特聘研究员、博士生导师。长期从事超快光学、非线性光学与微纳光学研究，聚焦光场的时空调控、微结构中的非线性光场调制以及飞秒激光非线性动力学等方向。已发表学术论文40余篇，其中以第一/通讯作者在Physical Review Letters（1篇，封面）、Nature Communications（4篇）、Light: Science & Applications（1篇）、Laser & Photonics Reviews（2篇）以及ACS Nano、ACS Photonics、Advanced Optical Materials、Nanophotonics 等期刊发表论文20余篇，并参与撰写综述与书籍章节多篇。主持/参与国家自然科学基金青年与面上项目、国家重点研发计划课题、江苏省自然科学基金等多项科研项目，多次受邀在CLEO、PIERS等国际会议作邀请报告。担任Science Advances、Advanced Photonics、Laser & Photonics Reviews、Light: Advanced Manufacturing等期刊审稿人。
马玲玲（通讯作者），南京大学特聘研究员、博士生导师，主要从事液晶态人工微结构及软物质光子学研究，迄今已发表学术论文50余篇，在Nat. Commun.、Sci. Adv.、eLight、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Lasers Photon. Rev.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等期刊发表第一/通讯作者论文36篇，多个成果入选ESI高被引和ESI热点论文、封面文章9篇，并受到ScienceDaily、Phys.Org等专业领域科技网站报道。参与撰写综述、书籍章节多篇。担任国际期刊Opto-Electronic Advances、Nano-Micro Letters、Responsive Materials（Wiley）、中国激光杂志社青年编委以及多个期刊的Guest Editor。入选中国科协青年人才托举工程、主持国家自然科学基金面上项目/青年基金、江苏省优青/青年基金、重大平台建设项目等。获得江苏省科学技术奖一等奖、省材料学会科学技术奖一等奖、CSOE光学工程前沿交叉优秀成果、中国光学十大进展提名奖、挑战杯全国特等奖、中国激光杂志社青云奖、ISPN青年研究员奖等。
陆延青（通讯作者），南京大学教授，液晶与光子技术研究中心主任，入选长江学者、国家杰青、万人领军，致力于微纳光学及其应用研究；曾主持863、973、重点研发、JKW重点等科研任务，在Science、Nat. Photon.、Nat. Nano.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、PNAS、PRL等刊物上发表论文400余篇，成果入选1999年中国基础科学研究十大新闻、高等学校十大科技进展、中国光学十大进展（2018/2019/2023）、美国光学学会Optics in 2020/2022、中国光学十大社会影响力事件（2024）。曾获国家自然科学奖一等奖（2006，排名第五）、江苏省科学技术一等奖（2020/2024，排名第一）、中国光学学会自然科学奖一等奖（2024，排名第一）、中国光学工程学会自然科学一等奖（2023，排名第一）、教育部自然科学奖一等奖（2025，排名第一）、中国物理学会饶毓泰物理奖（2024）等。担任中国光学学会会士/常务理事、中国光学工程学会会士/常务理事、中国物理学会理事兼液晶分会主任、美国光学学会会士、COL执行主编。
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