入射光的強度影響什麼

插圖描繪了約翰內斯·維米爾（Johannes Vermeer）的“戴珍珠耳環的女孩”的真實複製品，其中使用了數百萬個控制入射光的顏色和強度的奈米柱。圖片來源：徐T /南京大學

美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員及其合作者透過在散佈有數百萬個微小的二氧化鈦柱子的載玻片上發出白光，以驚人的保真度再現了“戴珍珠耳環的女孩”的發光色調和微妙的陰影。 ”，是荷蘭藝術家約翰內斯·維米爾（Johannes Vermeer）的傑作。該方法在改善光通訊和使貨幣更難偽造方面具有潛在的應用。

例如，透過增加或減少在光纖中傳播的特定顏色或波長的光，科學家可以控制光纖攜帶的資訊量。透過改變強度，研究人員可以保持光訊號在光纖中長距離傳播時的亮度。該方法還可以用於“繪畫”具有細小但複雜的顏色細節的紙幣，偽造者很難偽造。

其他科學家以前曾使用大小不同的微小柱子或奈米柱在白光照射下捕獲併發出特定顏色。奈米柱的寬度大約為600奈米高，或小於人發直徑的一百分之一，決定了柱子捕獲和發射的光的特定顏色。為了對這種技術進行苛刻的測試，研究人員檢查了納米柱如何再現熟悉的繪畫（例如維米爾）的顏色。

儘管幾組研究人員已經成功地安排了數百萬個奈米柱，這些奈米柱的尺寸經過定製，可以透射紅，綠或藍光以建立特定的輸出顏色調色盤，但科學家們無法控制這些顏色的強度。顏色的強度或亮度決定了影象的明暗（明暗對比），並增強了傳達透視和深度印象的能力，這是威猛（Vermeer）作品的標誌性特徵。

現在，透過製造不僅能捕獲併發出特定顏色的光而且還能不同程度地改變其偏振的奈米柱，來自中國南京大學的NIST研究人員及其合作者首次展示了一種控制顏色和強度的方法。研究人員包括NIST的Amit Agrawal和Zhu Wenqi Zhu和大學公園的馬里蘭大學，以及NIST的Henri Lezec，他們在9月20日發行的Optica雜誌上描述了他們的發現，該雜誌今天線上釋出。

在他們的新工作中，NIST團隊在載玻片上製造了納米橢圓形的二氧化鈦柱，其橫截面為橢圓形而不是圓形。圓形物體具有單個均勻的直徑，但是橢圓形物體具有長軸和短軸。

研究人員對奈米柱進行了設計，以使奈米柱的長軸在不同位置與入射白光的偏振方向更加對齊或更少對齊。（極化光是電場在穿過空間時沿特定方向振動的光。）如果奈米柱的長軸與入射光的偏振方向完全對齊，則透射光的偏振不受影響。但是，如果長軸相對於入射光的偏振方向旋轉了某個角度（例如20度），則奈米柱會將入射光的偏振旋轉該角度的兩倍（在這種情況下為40度）。

在載玻片上的每個位置，奈米柱的方向將其透射的紅色，綠色或藍色光的偏振旋轉了特定數量。

左：用於生成全色奈米繪畫影象的示意圖。插圖顯示了組成的二氧化鈦奈米柱和製造的奈米柱的掃描電子顯微鏡影象。錯誤的陰影表示奈米柱產生的原色。比例尺：500 nm。右：在白光照射下生成的“戴珍珠耳環的女孩”的實驗彩色影象。比例尺：50μm。圖片來源：徐T /南京大學

本身，每個奈米柱所施加的旋轉不會以任何方式改變透射光的強度。但是，在載玻片的背面放置了一個特殊的偏光濾鏡後，該團隊實現了這一目標。

濾光片的方向使它可以防止任何保留其原始偏振的光透過。（太陽鏡的工作原理大致相同：鏡片起垂直偏振濾光片的作用，減少了水平偏振眩光的強度。）對於載玻片上任何奈米柱保持不變的入射光偏振的地方，情況都是如此。 。這樣的區域將投射為遠處螢幕上的暗點。

在奈米柱旋轉入射白光偏振的地方，濾光片允許一定量的紅色，綠色或藍色光透過。數量取決於旋轉角度；角度越大，透射光的強度越大。透過這種方式，團隊首次控制了色彩和亮度。

NIST的研究人員演示了基本設計後，便建立了約1毫米長的威猛（Vermeer）繪畫微型版本的數字副本。然後，他們使用數字資訊指導數百萬個奈米柱的矩陣的製造。研究人員透過一組五個奈米柱（一個紅色，兩個綠色和兩個藍色）以與入射光成特定角度的取向來表示威猛（Vermeer）每個影象元素或畫素的顏色和強度。研究人員檢查了該團隊透過使奈米柱上發出白光而形成的毫米大小的影象，發現他們以極其清晰的方式複製了“戴珍珠耳環的女孩”，甚至捕捉了畫布上的油漆紋理。

NIST的研究人員和研究合著者Agrawal表示：“複製的質量捕捉了微妙的色彩漸變和陰影細節，簡直令人讚歎。” “這項工作非常優雅地橋接了藝術和奈米技術領域。”

為了構造奈米柱，Agrawal和他的同事首先在玻璃上沉積了一層僅數百奈米厚的超薄聚合物。然後使用像微型鑽一樣的電子束，在聚合物中開挖了數百萬個尺寸和方向不同的小孔。

然後，他們使用稱為原子層沉積的技術，用二氧化鈦回填這些孔。最終，團隊蝕刻掉了孔周圍的所有聚合物，留下了數百萬個微小的二氧化鈦柱。每個奈米柱的尺寸和方向分別表示最終毫米級影象的色相和亮度。

奈米柱技術可以輕鬆地適應於以特定強度傳輸特定顏色的光，以透過光纖傳達資訊，或以難以複製的微型多色識別標記印製有價值的物品。