液晶是介于液态与固态的中间相,它完美地融合了晶体的各向异性与液体的流动性。液晶材料典型的软物质特性赋予其外场刺激响应特性,能够对外界的微小刺激如光、电、磁、温度、机械力等作出响应,导致液晶分子的重新排列,从而其光学、电学等性质发生明显变化。本文探究了手性液晶中一维自组装螺旋结构(即胆甾相)与三维晶格结构(即蓝相)的性质与应用:利用电场与液晶盒表面取向的双重作用,实现了胆甾相液晶“指纹织构”的平面螺旋结构。基于胆甾相液晶指纹织构中的周期性折射率调制所形成的高阶分布反馈与液晶盒内的波导效应,开发了动态可调谐的微型液晶激光器。该激光光谱半峰宽小于0.5 nm,且基于胆甾相液晶螺旋结构的可调谐性与重构性,该激光在电场的作用下能够完成正交方向的激光出射方向转换以及单波长发射、多波长发射和随机激光之间的发射类型转换。这项工作证实了在螺距为微米量级的手性向列相液晶螺旋结构中激光发射的可能性,并赋予液晶激光的波长、强度、发射类型及方向的多功能化弱电场操控。蓝相液晶存在于高手性的液晶体系中,分子自组装形成双扭曲螺旋圆柱,于三维空间内堆积排列行成晶格尺度为百纳米量级的立方结构,是一类特殊的软晶体材料。在无机或有机晶体材料中均匀的晶格指向通常难以获得,而实现指向的定域化控制则更加困难。对蓝相软晶体也不例外,由于其熵变主导其晶格生长过程,晶格指向通常无序。利用光取向技术控制蓝相软晶体的生长过程,将“自上而下”的表面结构化取向锚定与“自下而上”的分子自组装相结合,实验了蓝相软晶体的定域、有序、微图案化可控生长。同时,蓝相软晶格的外场调控特性使得其晶格结构能够在温度或电场的影响下发生改变,呈现出反射色的变化。最后,利用光取向材料优异的反复可擦写属性,这种蓝相图形化晶格方向排列的超结构能够完成反复的转换与重构。基于蓝相晶格指向的控制及光学特性,利用结构化表面锚定技术设计了两类不同机制的反射型衍射类光学器件:1)可控波段选择振幅型光学衍射元件。设计取向区域和非取向区域交替排列的图形,形成均匀排列的蓝相晶格和随机排列的蓝相晶格,使之在反射端形成反射强度的调制。2)相位型光学衍射元件。设计图形化的不同取向方向微区,使均匀排列的蓝相晶格对反射光的相位形成调制。基于以上调制方式,设计制备了一维和二维衍射光栅、菲涅耳透镜以及能够产生涡旋光束的叉形光栅。这两类衍射器件对入射光有特殊的波段选择性,即当且仅当入射光的波长局域在蓝相的反射带内时衍射才会发生。此外,蓝相的刺激响应特性赋予了其工作波长的可调谐性能。并且,这种器件能够在紫外光和电场的作用下完成不同衍射图形和不同衍射机制的光擦写。这些光学衍射元件将在光通信、全息显示、量子计算、光谱扫描及多通道光学器件中有着重要的应用。