光之笔:新型纳米柱精确控制透射光的颜色和强度

光之笔:新型纳米柱精确控制透射光的颜色和强度

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美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员及其来自中国南京大学的合作团队通过向散布有数百万个微小二氧化钛柱的载玻片上照射白光,以惊人的保真度再现了荷兰艺术家约翰内斯·维米尔的杰作 -“戴珍珠耳环的少女”的明亮色调和微妙阴影。该方法在提升光通信和增强货币伪造难度方面有巨大潜在应用。

Credit: T. Xu/Nanjing University

图:使用了数百万个控制透射光颜色和强度的纳米柱复制的“戴珍珠耳环的少女”

通过增加或减少在光纤中传播光的特定颜色或波长,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。该方法也可用于“画”有细小但复杂颜色细节的纸币,使造假者很难伪造。

之前曾有科学家使用大小不同的微柱或纳米柱在白光照射下捕获并发出特定颜色。约600纳米高、直径小于人发一百分之一的纳米柱宽度决定了柱子捕获和发射光的特定颜色。为了对该技术进行严格测试,研究人员检验了纳米柱再现维米尔等著名画家作品颜色的能力。

尽管研究小组已成功准备好了数百万个纳米柱,其尺寸专门用于透射红、绿或蓝光以创建特定的输出颜色调色板,但这些颜色的强度不容易被控制。颜色强度或亮度决定了图像的光与影(明暗对比),并增强表达透视和深度观感的能力,这是维米尔作品的标志性特征。

现在,通过制造能捕获并发出特定颜色的光、且能不同程度地改变其偏振的纳米柱,NIST研究人员和其来自中国南京大学的合作者首次展示了一种控制颜色和强度的方法,研究成果发布在Optica杂志上。

Credit: T. Xu/Nanjing University

左图:用于生成全色纳米图像的图解原理图。插图显示了组成二氧化钛纳米柱和制造纳米柱的扫描电子显微镜图像。比例:500 nm。右图:白光照射下生成“戴珍珠耳环的少女”实验彩图。比例:50μm

NIST团队在载玻片上制造了椭圆形二氧化钛纳米柱,其横截面为具有长轴和短轴的椭圆形。研究人员对纳米柱进行了特殊设计,使其长轴在不同位置与入射白光的偏振方向更多对齐或更少对齐。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。如果长轴相对于入射光的偏振方向旋转了某个角度,比如20度,纳米柱则会将入射光的偏振旋转该角度的2倍,即40度。

在载玻片上的各个位置,纳米柱的方向都将其透射的红、绿或蓝光的偏振旋转了特定数量。每个纳米柱本身所施加的旋转不会以任何方式改变透射光的强度,然而研究人员在载玻片背面放置了一个特殊偏振滤光镜,光的强度就发生了变化。

由于滤光镜的方向使其阻止任何保留原始偏振的光通过,因此载玻片上有些纳米柱能保持不变的入射光偏振,这样的区域投射为远处屏幕上的暗点。在纳米柱旋转了入射白光偏振的位置上,滤光镜允许一定量的红、绿或蓝光通过。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,研究团队首次控制了色彩和亮度。

在这一技术的基础上,NIST的研究人员制作了约1毫米长的维米尔画作微型版本的数字副本,然后使用数字信息来引导由数百万个纳米柱组成的矩阵。通过一组方向与入射光成特定角度的五个纳米柱(一个红,两个绿和两个蓝)表示维米尔每个图像元素或像素的颜色和强度,以极高的清晰度复制了画作 -“戴珍珠耳环的少女”,甚至捕捉到了画布上的油漆纹理。研究人员认为,复制的质量捕捉了微妙的颜色渐变和阴影细节,令人赞叹,优雅地架起了艺术和纳米技术领域的桥梁。

此项纳米柱技术能够轻松地应用于以特定强度传输特定颜色的光,实现通过光纤进行信息交流,或者用难以复制的微型多色识别标记为纸币等有价值物品打上印记,应用前景极为广泛。

(译:车薇娜 / 图:NIST & 南京大学)

 

原文源自NIST网站,版权归NIST所有,如需转载请注明出处。