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    物理学院赖耘、彭茹雯、王牧合作团队实现了新光学材料:透明哑光材料,并展示了单向“隐形”窗户和高清透明显示

    发布时间:2024-03-28 点击次数: 作者:物理学院 来源:科学技术处

    近日,南京大学物理学院赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队,利用新型超表面实现了全可见光波段的极端不对称光散射,进而实现了一种融合了高透明性与哑光特征的宏观光学材料,其可以在保持完美透明性的同时,展现出如粗糙物体表面一般的哑光外貌。这类新型光学材料在隐形、成像和显示等领域可能具有广泛的应用前景,有望切实改善人们日常生活中的视觉体验。

    在传统光学中,一个历史悠久的难题是透明性与哑光外貌之间的矛盾。例如,透明玻璃是整个光学的材料基础,在现代社会中拥有广泛的应用。然而,其光滑表面也导致了镜面倒影和眩光污染等不良影响。另一方面,具有粗糙表面或无序组分的常见物体,如墙、木头、纸等,通常都具有哑光的外貌。漫散射消除了倒影和眩光,但是也导致其透明程度大幅下降。近年来,可独立调控透射与反射的超表面的发展,为解决这个经典光学难题提供了一个契机。2021年,南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队提出了一种无序翻转超构表面,成功地将漫反射与透射清晰成像的功能完美融合(Science Advances 7, eabj0935 (2021))。然而,该超表面的漫反射能力是随频率变化的,只在690纳米附近接近完美,而在400-500纳米的区间几乎失效,即不能覆盖整个可见光频段。此外,该超表面的最小特征尺寸约为100纳米,因此难以加工出宏观尺寸的样品。这些缺点极大地限制了实际应用。

    2024年,该团队在原有的工作基础上开拓创新,首次基于成熟的工业级步进式光刻技术,首次在玻璃表面加工了在全可见光频段具有完美漫反射功能和高度透明性的宏观尺寸超表面(直径为10厘米)(Science Advances 10, eadm8061 (2024))。这种超表面被称为:透明哑光表面(transparent matte surfaces。具有这种表面的透明材料在透射上具有极高的透明清晰程度,类似于透明玻璃;而在反射上则具有类似粗糙物体的哑光外貌。

    要融合漫反射与透明,关键是实现极端不对称的光散射。不对称光散射可以通过将两种反射相位差接近𝜋,而透射相位差接近0的超原子无序排列,组成无序超表面来实现。在之前的工作中,我们通过互易性定理与空间反演对称性保证了在整个可见光频段内透射相位差为0。但是,要在整个光学频段内实现反射相位差为𝜋依然是一个重大的挑战。在此工作中,我们采用了一种出乎意料的简洁方法,实现了宽频反射相位差为𝜋的功能。通过在无序翻转的金属片结构上方覆盖一薄层电介质,由于介质表面与金属片的反射波之间的干涉,刚好消除了金属片反射相位差的频率色散,最终在全可见光波段实现了𝜋反射相位差。实验测量结果表明:这种设计能在整个可见光波段将原本金属片的镜面反射率降低几十倍至~1%,甚至低于普通玻璃的镜面反射率(~4%)。此外,由于金属片单元的横向尺寸为900纳米,因此可以采用工业级步进式光刻技术制备宏观样品

    图1. 基于透明哑光表面的伪装窗户

    下面通过与商用防眩光膜的对比来展示透明哑光表面的优越性能。图1直观地展示了一个对比实验。图1A展示了实验设置(插图展示了样品微纳金片的分布图)。我们在桌后侧放置了一个开孔的小型摄影棚,将透明哑光表面样品置于开孔处。桌前侧放置了白色花瓶和彩色花朵,作为景物来验证样品的反射与透射效果。图 1B左图展示了从外侧拍摄的样品照片的放大图像,可见几乎没有反射倒影,外貌类似于普通金盘,具有哑光的特性。图 1B右图展示了从摄影棚内部透过样品向外拍摄的照片,可以清晰地看见花瓶和彩色花朵的细节,证实了样品的透明清晰度极高。作为对比,如果用防眩光膜取代了透明哑光表面,尽管其同样不会产生反射倒影(图1C左图),但是透明度却大大降低。在摄影棚内部透过它拍摄的景物非常模糊(图1C右图),难以分辨。因此,透明哑光表面相比防眩光膜的一大优势是其后的景物无论多远都可以清晰成像,可以作为窗户使用。同时,漫反射的特征使得从外侧看来,其外貌类似于不透明的普通物体,而非透明窗户,实现了一种有趣的伪装或“隐形”

    图2. 基于透明哑光表面的伪装摄像

    基于这个原理,可以实现独特的伪装摄像。图2展示了一个对比实验。这里我们将一个超低透射率的透明哑光表面样品贴在照相机镜头上。此样品的透射率仅为3%左右,总反射率约80%,但镜面反射率在全可见光波段仍然保持为~1%(实验测量结果)。由于这个样品是微纳铝片组成的,其外貌类似于哑光的普通铝片,对相机镜头有覆盖伪装功能。有趣的是,尽管透射率只有3%,相机镜头仍然能够拍摄出清晰的照片(图2A下图)。作为对比,采用防眩光膜遮挡相机镜头时,可以清晰地看到后面的镜头,这是因为防眩光膜的透射率很高。尽管透射率这么高,相机镜头拍摄的景物照片却非常模糊(图2B下图)。这说明防眩光膜中的漫散射严重地破坏了透明性,使相机丧失了拍摄功能。相反,透明哑光表面则在实现哑光外貌的同时完美保护了透明性,从而实现了对透明材料的伪装。

    最后,图3展示了基于透明哑光表面的一种新透明显示方案,即把透明玻璃变成显示屏。透明哑光表面的漫反射类似于电影院的幕布功能,可以投影显示。再结合高透明性,就实现了透明显示。图3A展示了实验设置。样品的后侧放置了一支向日葵,投影仪将彩色蝴蝶投影到样品的前侧,并在同一侧用相机拍摄。图3B展示了样品为透明哑光表面时拍摄的照片。显然,投影的蝴蝶和样品后面的向日葵都非常清晰。作为对比,如果用防眩光膜替代了透明哑光表面(图3C),此时蝴蝶明显暗淡了许多,同时向日葵也变得十分模糊。有趣的是,基于透明哑光表面的投影显示还具有单侧显示的特征。图3E展示了投影彩色铅笔时从前后侧分别拍摄的照片,可见前侧铅笔十分清晰,而后侧则几乎看不清铅笔。这再次验证了极端不对称的光散射。作为对比,使用防眩光膜时(图3F),前后拍摄到的铅笔亮度相近,意味着防眩光膜中的光散射在前后都存在。

    图3. 基于透明哑光表面的透明显示

    综上所述,透明哑光表面在全可见光波段融合了透射清晰成像与完美漫反射,实现了一类特殊的光学材料,解决了光学中透明性与哑光外貌无法兼容这个难题。透明哑光表面技术具备广阔的应用价值,甚至可能带来颠覆性的改变。例如,想象一辆汽车在外部看起来完全没有窗户,但内部的驾驶员却可以毫无阻碍地看到外界;或者一个四面都被墙壁包围的房子,当里面的人向外看时,墙壁却好像是透明玻璃一样,可以无碍地欣赏外界的全部景色。有了透明哑光表面,这些科幻场景不再是不可能实现的。此外,透明哑光表面还有望以较低的成本来实现大面积的动态高清透明显示,可用于车载显示、橱窗显示、增强现实等科技。

    该研究成果以“Matte surfaces with broadband transparency enabled by highly asymmetric diffusion of white light”为题于2024年3月15日发表在国际重要期刊《科学进展》上。本文第一作者为南京大学褚宏晨副研究员(现为南京师范大学研究员)和南京大学熊翔教授,通讯作者为南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授,合作者包括香港大学Nicholas X. Fang教授。研究工作得到了南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台支持,以及科技部重点研发计划,国家自然科学基金等项目资助。

    全文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm8061