可动态调控的多路成像微纳光学器件

近日，武汉大学李仲阳课题组和杭州电子科技大学张雪峰课题组合作开发了一种兼具可实时调节多波长通道的纳米印刷功能与远场全息图像显示功能的纳米光学器件。这种器件使用了阶梯式的金属-水凝胶-金属(Metal-Hydrogel-Metal, MHM)的纳米谐振腔作为图像显示的像素。凭借水凝胶聚乙烯醇(PVA)吸水膨胀/失水收缩的特点，MHM纳米谐振腔与可透射光波长的耦合可以通过加/减湿度快速地调制，实现与波长调谐同步的多图像通道显示;而按不同的初始水凝胶厚度对将这些像素进行独立编码，可实现同步远场全息图像显示。

01、多路成像的数值模拟

研究人员通过时域有限元分析的方法(FDTD)模拟仿真了MHM纳米腔的光学性质，以及其对应的相位信息(图1)。图1a内的插图展示了Ag/PVA/Ag三层纳米腔的示意图，Ag的厚度为20 nm。图1a中的仿真结果显示出了纳米腔的共振波长、透射率与PVA水凝胶厚度之间的关系;图1b则仿真了与之对应的透射光相位变化关系。当PVA厚度不断增加的时，纳米腔也会出现高阶的共振模式。图1C展示了550nm波长的光不仅可以和128nm厚度PVA纳米腔的一阶模发生共振，而且可以和312nm厚度PVA纳米腔的二阶模发生共振。

图1 Ag/PVA/Ag MHM纳米腔光学参数的模拟仿真

图1d和图1e是对反射率曲线和反射光相位的模拟仿真。尤其值得注意的是，反射光的相位随着PVA厚度的变化远比透射光敏感。图1f具体展示了550nm波长的光在PVA厚度为128nm和312nm的纳米腔中的反射率曲线和反射相位，其中550nm的光与不同阶数的谐振腔模式共振，却有着截然不同的反射相位。这种反射光不同的相位存在着巨大的编码、调制潜力。受到这种现象的启发，研究人员打破了透射率和反射相位之间的关联性，以纳米腔对振幅和相位的双重调制，通过编码实现了多通道纳米印刷和远场全息图像显示的复合联用。

图2 纳米腔子像素的光学性质以及多路成像的编码策略

为了实现透射式多通道纳米印刷功能，研究人员设计了4×4 μm2的超像素。每个超像素中含有四个1.5×1.5 μm2的不同厚度的MHM纳米腔子像素，两两间隔500 nm(图2a)。研究人员选取了PVA厚度为95 nm(蓝色)、115 nm(绿色)和145 nm(红色)的MHM纳米腔作为子像素，并设计了RGB三通道纳米印刷图案(图2b展示了PVA厚度为95、115、145 nm的 MHM纳米腔的理论透射率曲线)。图案中所需的黑色像素部分则使用PVA厚度为0 nm 和180 nm的纳米腔，并以此实现反射式全息图像显示的设计。根据图1a中的拟合结果可知，0 nm和180 nm厚度的纳米腔均具有相似的高反射率曲线(图2c，红线)，均可作为黑色像素使用;同时，较大波长范围下，其反射光的相位存在着显著区别(图2c，蓝线)。因此，引入这两种不同的子像素意味着对于振幅和相位的解耦合，不仅可以实现透射式多通道纳米印刷，而且还创造了由这两种相位状态决定的全息图像显示的编码能力。图2d展示了多通道纳米印刷和全息图像显示同步实现方案的设计流程。研究人员首先按空间分布对晴天、闪电和雨天三种RGB图像进行编码，完成对应的三种MHM子像素的设计;然后再以“WEATHER”字样作为目标图像，基于模拟退火算法对剩余的黑色子像素进行远场全息图像显示的编码排布。

02、多通道纳米印刷的实验表征

为了验证这种阶梯式的MHM纳米腔的效果，实验人员设计制造了尺寸为200×200 μm2 含50×50个超像素的纳米光学器件，并用原子力显微镜进行了扫描成像(图3a，刻度为6μm)。图3b展示了用来观测纳米印刷图像以及其对应光谱的光学显微系统的实物图。光谱测试装置由复享光学ARMS光学显微镜平台与Teledyne Princeton Instruments HRS-300光谱仪组成。纳米印刷的图像由一台超连续激光产生的单色光拍摄获得。图3c分别为设计的蓝色、绿色、红色子像素的测试得到的透射率曲线，其波长选择性和对比度与图2b中模拟仿真得到的计算结果良好匹配对应。RGB多通道纳米印刷的图案分别被470、520、620 nm的单色光照射，并显示出了对应的纳米印刷图像：雨天(图3d)、闪电(图3e)、晴天(图3f)，且相互之间几乎没有干扰。

图3 多通道纳米印刷图像显示的光学测试

03、RGB图像的实时动态切换

PVA水凝胶为多孔交联结构，内含大量亲水的-OH基团，在空气湿度增加时可以吸收水汽并膨胀体积(图4a)。这种吸水膨胀的现象在MHM纳米腔中相当于增加了腔体的间距，使得原本共振模式的波长发生红移。因此，改变空气湿度可以用于动态切换不同的纳米印刷颜色通道。在光学测试实验中，当往样品表面吹送水汽的时候，相机原本在510 nm光照下捕获的闪电标志(图4b)渐渐变成了雨天标志(图4c);615 nm光照下的晴天标志(图4d)和闪电标志(图4e)也被观测到了类似的动态切换过程。当水汽吹送终止后，图像又会渐渐复原。研究人员通过多次实验证实了这种数十秒内的动态切换功能具有非常良好的重复性。

图4 实时动态多通道纳米印刷图像显示切换的工作原理和实验观测

04、超表面全息成像

由模拟退火算法得到的相位分布信息被展示在图5a中，而其理论上对应的快速傅里叶变换图像则被展示在图5b中。如图5c所示，研究人员使用一束单色光经过小孔后聚焦在该纳米光学器件上，并用屏幕捕获反射的远场的全息成像。图5d展示了研究人员使用450 nm到650 nm范围内不同波长的单色光对“WEATHER”字样的全息成像，每个字母的轮廓清晰可见。这些远场全息成像均由常规照相机拍摄屏幕获得。

图5 同步远场全息图像显示理论模拟仿真和实际实验观测成像

05、总结

该研究工作设计了一种基于Ag/PVA/Ag的MHM结构的纳米腔组成的超像素微纳光学器件，并首次实现了可通过湿度变化动态调控多通道图案纳米印刷功能和远场全息图像显示的多路成像功能的复合联用。这种新型微纳光学器件在光学信息存储/复用、光学传感器以及湿度检测等领域有着巨大的潜在价值。