新型纳米柱精确控制透射光的颜色和强度

美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员及其合作者通过在散布有数百万个微小的二氧化钛柱子的载玻片上发出白光,以惊人的保真度再现了荷兰艺术家约翰内斯·维米尔(Johannes Vermeer)的杰作“戴珍珠耳环的女孩”的发光色调和微妙的阴影。该方法在改善光通信和使货币更难伪造方面具有潜在的应用。 例如,通过增加或减少在光纤中传播的特定颜色或波长的光,科学家可以控制光纤携带的信息量。通过改变强度,研究人员可以保持光信号在光纤中长距离传播时的亮度。

新型纳米柱精确控制透射光的颜色和强度

其他科学家以前曾使用大小不同的微小柱子或纳米柱在白光照射下捕获并发出特定颜色。纳米柱的宽度大约为600纳米高,或小于人发直径的一百分之一,决定了柱子捕获和发射的光的特定颜色。为了对这种技术进行苛刻的测试,研究人员检查了纳米柱如何再现熟悉的绘画(例如维米尔)的颜色。尽管几组研究人员已经成功地安排了数百万个纳米柱,这些纳米柱的尺寸经过定制,可以透射红、绿或蓝光以创建特定的输出颜色调色板,但科学家们无法控制这些颜色的强度。

NIST团队在载玻片上制造了纳米椭圆形的二氧化钛柱,其横截面为椭圆形而不是圆形。圆形物体具有单个均匀的直径,但是椭圆形物体具有长轴和短轴。

研究人员对纳米柱进行了设计,以使纳米柱的长轴在不同位置与入射白光的偏振方向更加对齐或更少对齐。(极化光是电场在穿过空间时会沿特定方向振动的光。)如果纳米柱的长轴与入射光的偏振方向完全对齐,则透射光的偏振不受影响。但是,如果长轴相对于入射光的偏振方向旋转了某个角度(例如20度),则纳米柱将入射光的偏振旋转了该角度的两倍(在这种情况下为40度)。

在载玻片上的每个位置,纳米柱的方向将其透射的红色,绿色或蓝色光的偏振旋转了特定数量。每个纳米柱所施加的旋转不会以任何方式改变透射光的强度。但是,在载玻片的背面放置了一个特殊的偏光滤镜后,该团队实现了这一目标。 滤光片的方向使它可以防止任何保留其原始偏振的光通过。

在纳米柱旋转入射白光偏振的地方,滤光片允许一定量的红色,绿色或蓝色光通过。数量取决于旋转角度;角度越大,透射光的强度越大。通过这种方式,团队首次控制了色彩和亮度。NIST的研究人员演示了基本设计后,便创建了约1毫米长的Vermee绘画微型版本的数字副本。然后,他们使用数字信息指导数百万个纳米柱的矩阵的制造。研究人员通过一组五个纳米柱(一个红色、两个绿色和两个蓝色)以与入射光成特定角度的取向来表示Vermeer每个图像元素或像素的颜色和强度。研究人员检查了该团队通过使纳米柱上发出白光而形成的毫米大小的图像,发现他们以极其清晰的方式复制了“戴珍珠耳环的女孩”,甚至捕捉了画布上的油漆纹理。

为了构造纳米柱,研究人员首先在玻璃上沉积了一层仅数百纳米厚的超薄聚合物。然后使用像微型钻一样的电子束,在聚合物中开挖了数百万个尺寸和方向不同的小孔。然后,他们使用称为原子层沉积技术,用二氧化钛回填这些孔。最终,团队蚀刻掉了孔周围的所有聚合物,留下了数百万个微小的二氧化钛柱。每个纳米柱的尺寸和方向分别表示最终毫米级图像的色相和亮度。纳米柱技术可以轻松地适应于以特定强度传输特定颜色的光,以通过光纤传达信息,或以难以复制的微型多色识别标记印制有价值的物品。

相关研究成果发表在 Optica 上。

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