可動態(tài)調(diào)控的多路成像微納光學(xué)器件

近日，武漢大學(xué)李仲陽課題組和杭州電子科技大學(xué)張雪峰課題組合作開發(fā)了一種兼具可實(shí)時調(diào)節(jié)多波長通道的納米印刷功能與遠(yuǎn)場全息圖像顯示功能的納米光學(xué)器件。這種器件使用了階梯式的金屬-水凝膠-金屬(Metal-Hydrogel-Metal, MHM)的納米諧振腔作為圖像顯示的像素。憑借水凝膠聚乙烯醇(PVA)吸水膨脹/失水收縮的特點(diǎn)，MHM納米諧振腔與可透射光波長的耦合可以通過加/減濕度快速地調(diào)制，實(shí)現(xiàn)與波長調(diào)諧同步的多圖像通道顯示;而按不同的初始水凝膠厚度對將這些像素進(jìn)行獨(dú)立編碼，可實(shí)現(xiàn)同步遠(yuǎn)場全息圖像顯示。

01、多路成像的數(shù)值模擬

研究人員通過時域有限元分析的方法(FDTD)模擬仿真了MHM納米腔的光學(xué)性質(zhì)，以及其對應(yīng)的相位信息(圖1)。圖1a內(nèi)的插圖展示了Ag/PVA/Ag三層納米腔的示意圖，Ag的厚度為20 nm。圖1a中的仿真結(jié)果顯示出了納米腔的共振波長、透射率與PVA水凝膠厚度之間的關(guān)系;圖1b則仿真了與之對應(yīng)的透射光相位變化關(guān)系。當(dāng)PVA厚度不斷增加的時，納米腔也會出現(xiàn)高階的共振模式。圖1C展示了550nm波長的光不僅可以和128nm厚度PVA納米腔的一階模發(fā)生共振，而且可以和312nm厚度PVA納米腔的二階模發(fā)生共振。

圖1 Ag/PVA/Ag MHM納米腔光學(xué)參數(shù)的模擬仿真

圖1d和圖1e是對反射率曲線和反射光相位的模擬仿真。尤其值得注意的是，反射光的相位隨著PVA厚度的變化遠(yuǎn)比透射光敏感。圖1f具體展示了550nm波長的光在PVA厚度為128nm和312nm的納米腔中的反射率曲線和反射相位，其中550nm的光與不同階數(shù)的諧振腔模式共振，卻有著截然不同的反射相位。這種反射光不同的相位存在著巨大的編碼、調(diào)制潛力。受到這種現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員打破了透射率和反射相位之間的關(guān)聯(lián)性，以納米腔對振幅和相位的雙重調(diào)制，通過編碼實(shí)現(xiàn)了多通道納米印刷和遠(yuǎn)場全息圖像顯示的復(fù)合聯(lián)用。

圖2 納米腔子像素的光學(xué)性質(zhì)以及多路成像的編碼策略

為了實(shí)現(xiàn)透射式多通道納米印刷功能，研究人員設(shè)計(jì)了4×4 μm2的超像素。每個超像素中含有四個1.5×1.5 μm2的不同厚度的MHM納米腔子像素，兩兩間隔500 nm(圖2a)。研究人員選取了PVA厚度為95 nm(藍(lán)色)、115 nm(綠色)和145 nm(紅色)的MHM納米腔作為子像素，并設(shè)計(jì)了RGB三通道納米印刷圖案(圖2b展示了PVA厚度為95、115、145 nm的 MHM納米腔的理論透射率曲線)。圖案中所需的黑色像素部分則使用PVA厚度為0 nm 和180 nm的納米腔，并以此實(shí)現(xiàn)反射式全息圖像顯示的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖1a中的擬合結(jié)果可知，0 nm和180 nm厚度的納米腔均具有相似的高反射率曲線(圖2c，紅線)，均可作為黑色像素使用;同時，較大波長范圍下，其反射光的相位存在著顯著區(qū)別(圖2c，藍(lán)線)。因此，引入這兩種不同的子像素意味著對于振幅和相位的解耦合，不僅可以實(shí)現(xiàn)透射式多通道納米印刷，而且還創(chuàng)造了由這兩種相位狀態(tài)決定的全息圖像顯示的編碼能力。圖2d展示了多通道納米印刷和全息圖像顯示同步實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)流程。研究人員首先按空間分布對晴天、閃電和雨天三種RGB圖像進(jìn)行編碼，完成對應(yīng)的三種MHM子像素的設(shè)計(jì);然后再以“WEATHER”字樣作為目標(biāo)圖像，基于模擬退火算法對剩余的黑色子像素進(jìn)行遠(yuǎn)場全息圖像顯示的編碼排布。

02、多通道納米印刷的實(shí)驗(yàn)表征

為了驗(yàn)證這種階梯式的MHM納米腔的效果，實(shí)驗(yàn)人員設(shè)計(jì)制造了尺寸為200×200 μm2 含50×50個超像素的納米光學(xué)器件，并用原子力顯微鏡進(jìn)行了掃描成像(圖3a，刻度為6μm)。圖3b展示了用來觀測納米印刷圖像以及其對應(yīng)光譜的光學(xué)顯微系統(tǒng)的實(shí)物圖。光譜測試裝置由復(fù)享光學(xué)ARMS光學(xué)顯微鏡平臺與Teledyne Princeton Instruments HRS-300光譜儀組成。納米印刷的圖像由一臺超連續(xù)激光產(chǎn)生的單色光拍攝獲得。圖3c分別為設(shè)計(jì)的藍(lán)色、綠色、紅色子像素的測試得到的透射率曲線，其波長選擇性和對比度與圖2b中模擬仿真得到的計(jì)算結(jié)果良好匹配對應(yīng)。RGB多通道納米印刷的圖案分別被470、520、620 nm的單色光照射，并顯示出了對應(yīng)的納米印刷圖像：雨天(圖3d)、閃電(圖3e)、晴天(圖3f)，且相互之間幾乎沒有干擾。

圖3 多通道納米印刷圖像顯示的光學(xué)測試

03、RGB圖像的實(shí)時動態(tài)切換

PVA水凝膠為多孔交聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)含大量親水的-OH基團(tuán)，在空氣濕度增加時可以吸收水汽并膨脹體積(圖4a)。這種吸水膨脹的現(xiàn)象在MHM納米腔中相當(dāng)于增加了腔體的間距，使得原本共振模式的波長發(fā)生紅移。因此，改變空氣濕度可以用于動態(tài)切換不同的納米印刷顏色通道。在光學(xué)測試實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)往樣品表面吹送水汽的時候，相機(jī)原本在510 nm光照下捕獲的閃電標(biāo)志(圖4b)漸漸變成了雨天標(biāo)志(圖4c);615 nm光照下的晴天標(biāo)志(圖4d)和閃電標(biāo)志(圖4e)也被觀測到了類似的動態(tài)切換過程。當(dāng)水汽吹送終止后，圖像又會漸漸復(fù)原。研究人員通過多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種數(shù)十秒內(nèi)的動態(tài)切換功能具有非常良好的重復(fù)性。

圖4 實(shí)時動態(tài)多通道納米印刷圖像顯示切換的工作原理和實(shí)驗(yàn)觀測

04、超表面全息成像

由模擬退火算法得到的相位分布信息被展示在圖5a中，而其理論上對應(yīng)的快速傅里葉變換圖像則被展示在圖5b中。如圖5c所示，研究人員使用一束單色光經(jīng)過小孔后聚焦在該納米光學(xué)器件上，并用屏幕捕獲反射的遠(yuǎn)場的全息成像。圖5d展示了研究人員使用450 nm到650 nm范圍內(nèi)不同波長的單色光對“WEATHER”字樣的全息成像，每個字母的輪廓清晰可見。這些遠(yuǎn)場全息成像均由常規(guī)照相機(jī)拍攝屏幕獲得。

圖5 同步遠(yuǎn)場全息圖像顯示理論模擬仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)觀測成像

05、總結(jié)

該研究工作設(shè)計(jì)了一種基于Ag/PVA/Ag的MHM結(jié)構(gòu)的納米腔組成的超像素微納光學(xué)器件，并首次實(shí)現(xiàn)了可通過濕度變化動態(tài)調(diào)控多通道圖案納米印刷功能和遠(yuǎn)場全息圖像顯示的多路成像功能的復(fù)合聯(lián)用。這種新型微納光學(xué)器件在光學(xué)信息存儲/復(fù)用、光學(xué)傳感器以及濕度檢測等領(lǐng)域有著巨大的潛在價值。

審核編輯 黃宇