— 资料提供:影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology
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整理:林晃岩教授、廖玮珅 —
可挠式硅带之颜色调控
许多感应器和显示器产品对于能够灵活地控制物体之被感知颜色的能力有强烈的需要。虽然这项功能可以藉由使用不同折射率之多层材料的干涉效应来达成,但是现在有一种方法可以避免使用厚的结构和不同颜色需要不同厚度的材料,也就是当一平面拥有可调多个颜色的功能,便会是备受欢迎的技术(图一)。
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图一 |
现在来自美国加州柏克莱大学的Li Zhu与其研究团队已经将硅薄膜嵌入可挠式薄膜材料中,在实验中展示从明亮的绿色调到明亮的橘色(Optica 2, 255–258; 2015)。此结果对于可挠式光学应用产品极具吸引力。
他们的方法是基于高对比超颖结构(high-contrast metastructures, HCMs)的设计,HCMs是由单层高折射率材料(single-layer high-refractive-index material)周围环绕低折射率材料组合而成的周期性结构,且具有接近一个波长的周期性。他们的超颖结构由嵌入透明、可挠式聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)薄膜的画素(pixels)数组组合而成(图二(a))。而每一个画素则是由约为一美元钞票之千分之一至二厚度的硅薄膜带(ribbons)所组成。不像传统的方法,他们团队使用相同厚度的色带且为了不同的颜色只改变色带的宽度,因此很容易达到在一相同平坦表面能够显示出不同的颜色。他们同时也设计了周期性结构,使其非常接近可见光波长,并且对于反射与穿透都只有两个绕射阶(diffraction orders)被允许(0阶和1阶)(图二(b))。
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图二、(a)HCM嵌入软性薄膜之颜色显示示意图。显示器图案是由颜色设计过的独立画素组成。画素由一个奈米尺度的HCM组成,其非常柔软且坚固。(b)一维HCM示意图。光学特性主要由下列三个关键参数决定:周期Λ、厚度tg、还有占空比(duty cycle) η = s/Λ,其中s是高折射率条状物的宽度。在两阶绕射机制中,入射光被绕射成四个可能的阶数R−1, R0, T−1和T0。 |
研究团队解释,由于硅带(ribbons)和环绕介质间较大的折射率差,光波在表面反射引发干涉效应(interference effect)。因为折射率的差别,干涉效应的表现非常有效,使得可藉由硅带的空隙及宽度决定鲜艳颜色的种类。利用拉伸薄膜改变硅带的间隙,转变建设性干涉发生的波长,因此可以改变表面的颜色。
Connie Chang-Hasnain教授说:「藉由仔细设计结构尺寸,固有模式(eigenmodes)的建设性干涉加强一部份绕射阶,而破坏性干涉会抵消其它绕射阶是可行的。因为结构具有较大的折射率差,较宽带率的波段都可能发生此效应。」
研究人员在负1反射阶得到83%绕射效率。实验样品的颜色可能被从绿色调到橘色(从541奈米到580奈米,即39奈米的波长改变量)藉由拉伸样品仅仅5%的变形量,其对应到HCM周期仅25奈米的改变量。他们也展示激光光束控制器(laser beam steering)藉由使用相同的效应便能拥有超过36个可解析的光束点(resolvable beam spots),然后他们证明入射激光光束可以在不会有光束宽度衰减的情况下被控制超过5%形变。
Connie Chang-Hasnain教授说:「我们将会用二维结构的设计来使其不受绕射偏振(diffraction polarization)的影响,且解决在此结构下任何弯曲的问题。未来我们也会计划使用一些机械性敏感材料用于生物影像(bio-imaging)和生物标签(bio-labelling)等应用。」
参考资料: |
1. Rachel Won, Diffractive optics: Tuning colour in flexible silicon, Nature Photonics 9, 291 (2015)
doi:10.1038/nphoton.2015.70
http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n5/full/nphoton.2015.70.html
2. Li Zhu, Jonas Kapraun, James Ferrara, and Connie J. Chang-Hasnain,
Flexible photonic metastructures for tunable coloration, Optica Vol. 2, Issue 3, pp. 255-258 (2015)
doi: 10.1364/OPTICA.2.000255
https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-2-3-255&id=312890 |
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