近日，Im体育官网app精密光谱科学与技术国家重点实验室青年研究员朱晓龙博士在超高分辨激光结构色打印及全息成像领域获突破。该工作通过构筑具有临界耦合共振效应的光学薄膜微腔，利用脉冲激光打破体系临界耦合状态下的对称性来生成光学超表面结构，发现在临界耦合点附近，由外场微扰产生的结构相变可使入射光的振幅和相位等产生剧烈变化，实现了光场的大范围调控。该工作对超高速、超高分辨激光打印结构色和全息成像及规模化应用具有重要意义。
朱晓龙研究员的成果以 "Resonant laser printing of optical metasurface" 为题发表在纳米领域重要期刊Nano Letters。Im体育官网app为第一单位，合作单位包括丹麦科技大学和以色列希伯来大学。
Nano Letters 刊发朱晓龙研究员的成果
0油墨0颜料0污染：永不褪色的结构色
此项研究突破使得故宫典藏珍品北宋画家王希孟所作《千里江山图》首次以激光结构色打印的形式出现在国际学术视野，实现前沿纳米技术与东方古典艺术的巧妙融合。打印的宏观尺度厘米面积的《千里江山图》（局部），不仅传神地再现了青绿山水画的意蕴，同时由于超高的打印分辨率，就连王希孟作画时所用绢布上丝织纹路的质感也得以重现。
纳米厚度的《千里江山图》（局部）激光结构色打印图，4cmX4cm，分辨率超过了100000dpi（每英寸点数），是迄今为止世界上最高的激光彩色打印分辨率。（原作藏于故宫博物院，作者：北宋 王希孟）
“《千里江山图》历经千年，之所以还能够保持鲜亮色彩，主要是通过昂贵的青金石、祖母绿等矿石颜料与明矾等胶状物混合涂布工艺实现。但每次开卷由于矿石颜料的剥落，都会在一定程度上对画造成损坏。而西方油画也需要通过反复涂抹颜料，通过颜料的厚度来抵抗岁月的侵蚀。”朱晓龙研究员谈到，“激光结构色打印是通过表面金膜的结构与光的相互作用来产生颜色，不需要使用任何颜料或墨水。而且纳米微观结构极薄，金膜材料性能稳定，很难被外界环境或作用力破坏，因此这种结构色具有永不褪色的特点。更有意思的是，其超高的分辨率还能高度还原颜料的颗粒感或者绢布的纹路质感，就连厚涂颜料油画的空间立体感也能高度重现。”
共振激光打印技术
结构色到底什么？要知道，颜料并不是自然界颜色的唯一来源。从甲虫的外壳到孔雀的羽毛，这些五彩斑斓的颜色其实源于表面的微阵列和精细结构。虽然通过微纳结构的设计能够重现自然界中奇妙的颜色，但是，大规模生产依然是目前无法逾越的技术难题。
共振激光打印原理图
蒙娜丽莎结构色及表面纳米微观结构图
在2017年，朱晓龙研究员作为第一发明人发明了共振激光打印技术（Resonant Laser Printing，RLP），并在 Science Advances 刊发该成果。朱晓龙研究团队使用表面有规则凸起结构的塑料做衬底，然后将元素锗 (Ge)“铺”在塑料表面。通过激光打印技术使凸起上的锗融化，进而改变锗薄膜的形状和厚度，呈现出不同的颜色。该方法可以实现每英寸127,000像素点 (127,000 dpi) 的分辨率。相比之下，传统激光打印机的分辨率为1200 dpi，而喷墨打印机一般只能达到600 dpi。该团队激光打印了世界上最小的彩色《蒙娜丽莎》，彩色激光打印分辨率高达12万7千dpi（每英寸点数）。研究工作获得 Nano Today、Physics.org、Nature 等专业杂志重点介绍和 Science 杂志视频专题报道。
超高精度+超薄厚度+规模化制造
本项研究 "Resonant laser printing of optical metasurface" 的突破在于，通过构筑具有临界耦合共振效应的铝-二氧化钛光学薄膜微腔，利用仅相当于头发丝五百分之一的厚度（约200纳米）的薄膜堆栈制备实现结构色基材模板，相当于“画布”。通过调节上层5到10纳米的金膜厚度来实现不同的结构颜色，这里使用的金膜就相当于结构色的“颜料”，最薄的地方大概只有10个金原子层的厚度。
基于薄膜的微腔结构适用于材料的大面积、低成本制备，不依赖任何微纳制造工艺，实现了基材规模化制造。
研究中，朱晓龙通过频率在相同的临界耦合共振频率的脉冲激光的作用，通过打破临界耦合状态下的对称性，通过调节施加的脉冲激光的能量来生成不同的表面结构及相应的结构色。这种利用共振效应的激光彩色打印方法具有超高速、低功耗和超高的分辨率的特点。激光打印生成的表面结构细微至100纳米尺度，产生的金属表面等离激元结构色的分辨率突破了光学衍射极限，分辨率超过了100000dpi（每英寸点数），是迄今为止世界上最高的激光彩色打印分辨率。
激光结构色打印纳米厚度的《罗纳河上的星夜》，4cmX4cm（原作者：梵高）
“全息电影”不再是梦想
研究中提出的另一突破是发现了薄膜光学微腔的表面结构不仅可以调控入射光的振幅，也就是这里表现出来的不同的结构色，同时也能调节入射光波的相位及对应的波前结构。在临界耦合点附近，这种光学超表面结构就算在外场微扰的情况下也能实现对入射光相位的剧烈变化及大范围调控。
朱晓龙利用以上原理实现能产生光学全息图的表面结构的规模制备。通过在有限的面积上存储尽量多的光波信息，比如利用共振激光打印的超高分辨率在两毫米见方的面积上打印了16M字节的光学全息图信息，并通过激光照射在空间上形成一个蝴蝶图样，蝴蝶翅膀上的花纹清晰可见。
这项工作为实现如《星球大战》预想的全息电影铺平了道路。全息电影是利用光波的干涉现象来记录影像和重现影像，用全息摄影的方法制作和显示的电影，影像是立体的，有纵深感，亮度范围比普通摄影和电影大得多放映时用激光投射全息片，观众不用戴立体眼镜，就能看到立体的影像。
朱晓龙研究员于2021年5月回国，加入Im体育官网app精密光谱科学与技术国家重点实验室。研究方向主要为结构电磁材料及光与它们的相互作用，包括光子结构激光打印，光子芯片制造和超表面光学器件等。近年来，以第一/通讯作者在 Nature Nanotechnology、Science Advances 等期刊杂志发表论文40余篇，SCI引用1800余次。2020年，入选Im体育官网app紫江优秀青年人才计划及国家高层次青年人才计划。
图文、来源丨精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑丨余苏宁 编审丨郭文君
