國立中央大學揭露隱藏半世紀之液晶光學現象

國立中央大學光電系鄭恪亭教授帶領的研究團隊（液晶光電實驗室）首次揭露由膽固醇液晶結構形變後所引發之特殊光學現象，這項發現不僅釐清了自1970年代以來未解的光學謎題，更進一步拓展此液晶結構之應用廣度，使其在液晶光學元件、光通訊及熱感應裝置之應用上皆極具潛力，研究成果發表於國際頂尖光學期刊Optica [12(8), 1269-1279 (2025)]。

液晶光電領域除具備實際於顯示器及智慧窗等應用外，更因其對電場與熱等外界刺激可產生對應反應，故在光學元件與感測領域中另具有獨特價值。膽固醇液晶具備可生成布拉格反射效應之螺旋週期結構，在實際應用面上可用於製作反射式顯示器，且由於膽固醇液晶本身所具備的雙穩態特性，使得此類反射式顯示器不僅在顯示靜態影像時無須耗能，其產生之布拉格反射效應也使得該裝置在戶外使用下仍可維持高影像對比度。德國物理學家W. Helfrich曾發現對膽固醇液晶施加強電場會形成二維週期形變，稱為Helfrich deformation，而過往研究多著重於如何以此結構切換影像顯示色彩或研發各式穩定該形變結構的方法。

鄭恪亭教授研究團隊發現當膽固醇液晶層產生形變前，其對應之布拉格反射與穿透頻譜波長範圍相同，符合一般科學認知；一旦形變產生時，在其初期所對應之布拉格反射（圖中紅色頻譜）及穿透（圖中綠色頻譜）頻譜之邊界位置不再互補，而此一結果更說明了位於特定波段內的光在無吸收及散射效應之影響下，光既無法穿透液晶層，也無法被布拉格效應反射。而面對此一完全顛覆以往傳統認知之光學現象，研究團隊成功以數值模擬方式分析此特殊頻譜變化，且後續藉由對反射光及穿透光的分析進一步了解液晶層在生成該Helfrich形變初期，波導效應主導先前觀察到之頻譜變化，並使得特定波段內的光線在形變的膽固醇液晶層中傳遞，且在傳遞一段距離後再次由液晶層出射（下圖左側），而後續經由光學實驗再次證實波導效應的存在（下圖右側）。

鄭教授指出，此研究透過實驗與數值模擬相互驗證，證明了此類液晶在此特殊形變下達成了液晶軟性波導特性，這一項研究不僅完整了半世紀前首次被發現的液晶形變結構及其背後的光學機制，對於液晶光電領域產生深遠影響，更進一步拓展此液晶結構之應用廣度，使其不再侷限於顯示應用，在液晶光學元件、光通訊及熱感應裝置之應用上皆極具潛力。