可動態(tài)調控的多路成像微納光學器件

近日，武漢大學李仲陽課題組和杭州電子科技大學張雪峰課題組合作開發(fā)了一種兼具可實時調節(jié)多波長通道的納米印刷功能與遠場全息圖像顯示功能的納米光學器件。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，MHM納米諧振腔與可透射光波長的耦合可以通過加/減濕度快速地調制，實現(xiàn)與波長調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行獨立編碼，可實現(xiàn)同步遠場全息圖像顯示。

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納米腔的光學性質，以及其對應的相位信息(圖1)。圖1a內的插圖展示了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系;圖1b則仿真了與之對應的透射光相位變化關系。當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聯(lián)性，以納米腔對振幅和相位的雙重調制，通過編碼實現(xiàn)了多通道納米印刷和遠場全息圖像顯示的復合聯(lián)用。

圖2 納米腔子像素的光學性質以及多路成像的編碼策略

為了實現(xiàn)透射式多通道納米印刷功能，研究人員設計了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(藍色)、115 nm(綠色)和145 nm(紅色)的MHM納米腔作為子像素，并設計了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，并以此實現(xiàn)反射式全息圖像顯示的設計。根據(jù)圖1a中的擬合結果可知，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現(xiàn)方案的設計流程。研究人員首先按空間分布對晴天、閃電和雨天三種RGB圖像進行編碼，完成對應的三種MHM子像素的設計;然后再以“WEATHER”字樣作為目標圖像，基于模擬退火算法對剩余的黑色子像素進行遠場全息圖像顯示的編碼排布。

02、多通道納米印刷的實驗表征

為了驗證這種階梯式的MHM納米腔的效果，實驗人員設計制造了尺寸為200×200 μm2 含50×50個超像素的納米光學器件，并用原子力顯微鏡進行了掃描成像(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光譜的光學顯微系統(tǒng)的實物圖。光譜測試裝置由復享光學ARMS光學顯微鏡平臺與Teledyne Princeton Instruments HRS-300光譜儀組成。納米印刷的圖像由一臺超連續(xù)激光產生的單色光拍攝獲得。圖3c分別為設計的藍色、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算結果良好匹配對應。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測試

03、RGB圖像的實時動態(tài)切換

PVA水凝膠為多孔交聯(lián)結構，內含大量親水的-OH基團，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。在光學測試實驗中，當往樣品表面吹送水汽的時候，相機原本在510 nm光照下捕獲的閃電標志(圖4b)漸漸變成了雨天標志(圖4c);615 nm光照下的晴天標志(圖4d)和閃電標志(圖4e)也被觀測到了類似的動態(tài)切換過程。當水汽吹送終止后，圖像又會漸漸復原。研究人員通過多次實驗證實了這種數(shù)十秒內的動態(tài)切換功能具有非常良好的重復性。

圖4 實時動態(tài)多通道納米印刷圖像顯示切換的工作原理和實驗觀測

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過小孔后聚焦在該納米光學器件上，并用屏幕捕獲反射的遠場的全息成像。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。這些遠場全息成像均由常規(guī)照相機拍攝屏幕獲得。

圖5 同步遠場全息圖像顯示理論模擬仿真和實際實驗觀測成像

05、總結

該研究工作設計了一種基于Ag/PVA/Ag的MHM結構的納米腔組成的超像素微納光學器件，并首次實現(xiàn)了可通過濕度變化動態(tài)調控多通道圖案納米印刷功能和遠場全息圖像顯示的多路成像功能的復合聯(lián)用。這種新型微納光學器件在光學信息存儲/復用、光學傳感器以及濕度檢測等領域有著巨大的潛在價值。

審核編輯 黃宇