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用光作画:新型纳米柱精确控制透射光的强度

2020-9-8 21:25| 发布者: 安之竹| 查看: 186| 评论: 0

摘要: 通过利用白光照射一块镶嵌着数百万个微小二氧化钛柱的玻璃载玻片,NIST的研究人员和他们的合作者们以惊人的逼真度再现了荷兰艺术家约翰内斯·维米尔的杰作“戴珍珠耳环的女孩”中明亮的色调和微妙的阴影。

通过利用数百万纳米柱控制入射光的颜色和强度对约翰内斯·维米尔(Johannes Vermeer)的“戴珍珠耳环的女孩”的忠实再现。感谢南京大学Ting Xu供图


通过利用白光照射一块镶嵌着数百万个微小二氧化钛柱的玻璃载玻片NIST的研究人员和他们的合作者们以惊人的逼真度再现了荷兰艺术家约翰内斯·维米尔的杰作“戴珍珠耳环的女孩”明亮色调和微妙阴影。


这种方法在改善光通信性能和使货币更难伪造方面有潜在的应用。例如,通过增加或减少在光纤中传播的光的特定颜色(或波长),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。这种方法还可以被用来在纸币上“涂”上细小而复杂的颜色细节,从而使造假者很难伪造。


其他科学家以前也用不同尺寸的小柱子或纳米柱在白光照射下实现特定颜色光的捕捉和发射。纳米柱的宽度(大约为600纳米,或者说不到人类头发直径的百分之一决定了柱子捕捉和发射的光的特定颜色。为了对该技术进行严格的测试,研究人员研究了纳米柱对一幅熟悉的油画(比如维米拉的作品)的色彩再现效果。


尽管有几组研究人员通过排列数百万个纳米柱(这些纳米柱的尺寸被定制成可以传输红光、绿光或蓝光)成功地创造出一个特定的调色板来控制输出颜色,但他们无法控制这些颜色的强度。而颜色的强度(或亮度)决定了图像的明暗对比,在传递视角和深度信息方面具有增强作用。这也是维米拉作品的标志性特征。


目前,通过制作特定的纳米柱(不仅能捕捉和发射特定颜色的光,而且可以在不同程度上改变光的偏振),NIST的研究人员和他们来自中国南京大学的合作者首次展示了一种同时控制颜色和强度的方法。研究人员包括NIST和马里兰大学的Amit Agrawal和Wenqi Zhu,以及NIST的Henri Lezec,他们在9月20日出版的Optica杂志上描述了他们的发现(在线版本今日刊出)


在新研究中,NIST团队在玻璃载玻片上制作了二氧化钛纳米柱,其横截面为椭圆形,而非圆形。因为圆形物体有一个单一的均匀直径,椭圆物体有一个长轴和一个短轴。利用该特性,研究人员设计了纳米柱,使其长轴在不同位置与入射白光的偏振方向具有不同程度的对准。如果纳米柱的长轴与入射光的偏振方向(偏振光是在空间中传输时电场在特定方向上振动的光)完全一致,则透射光的偏振不受影响。在玻璃载玻片上的每个位置,纳米柱的方向使其透射的红光、绿光或蓝光的偏振方向发生一定程度的旋转。就其本身而言,每个纳米柱所产生的旋转不会以任何方式改变透射光的强度。但是,通过在玻璃载玻片背面放置一个特殊的偏振滤光片,研究小组实现了这个目标。


滤光片的放置方向设定为:保证任何保持原偏振状态的光线无法通过它。这与太阳镜的工作原理大致相同:镜片起到垂直偏振滤光片的作用,从而降低水平偏振眩光的强度。在玻璃载玻片上,一个纳米柱没有改变入射光偏振的地方会在远处的屏幕上投射出一个黑点,而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光、绿光或蓝光通过。通过的数量取决于旋转角度:角度越大,透射光的强度越大。这样,研究小组第一次同时控制了透射光的颜色和亮度。


NIST的研究人员展示了基本的设计之后,他们制作了一个大约1毫米长的维米尔画作的微型版本的数码拷贝。然后他们利用这些数字信息来指导数百万纳米柱矩阵的制造。研究人员使用五个纳米柱(一个红的,两个绿的,两个蓝的)来表示维米尔每一个图片元素(像素)的颜色和强度,这些纳米柱的方向与入射光成特定的角度。通过检查通过白光照射纳米柱所生成的毫米大小的图像,研究人员发现们极其清晰地再现了“戴珍珠耳环的女孩”,甚至捕捉到了画布上油画的质感。


“复制品的质量,捕捉到微妙的颜色渐变和阴影细节,是非常了不起的,”,NIST研究员和研究合著者Agrawal说,“这件作品非常优雅地连接了艺术和纳米技术领域。”


左图:生成全彩色纳米绘画图像的示意图。插图显示了二氧化钛纳米柱的组成和所制备纳米柱的扫描电子显微镜图像。伪色差示意纳米柱生成的原色。比例尺:500 nm。右图:白光照明下生成的“戴珍珠耳环女孩”的实验彩色图像。比例尺:50μm感谢南京大学Ting Xu供图

 

为了构建纳米柱,Agrawal和他的同事首先在玻璃上沉积了一层只有几百纳米厚的超薄聚合物。他们用一束像微型钻一样的电子束,在聚合物中挖掘出数百万个不同尺寸和方向的小孔。然后,他们使用一种被称为原子层沉积的技术,用二氧化钛回填这些洞。最后,研究小组蚀刻掉了孔洞周围的所有聚合物,留下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代表最终毫米大小图像的色调和亮度。


纳米柱技术可以很容易地适应于传输特定颜色和强度的光,或通过光纤传递信息,或在贵重物品上印上难以复制的微型多色调识别标记。

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