南京大學(xué)實(shí)現(xiàn)了新光學(xué)材料：透明啞光材料

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作團(tuán)隊，利用新型超表面實(shí)現(xiàn)了全可見光波段的極端不對稱光散射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種融合了高透明性與啞光特征的宏觀光學(xué)材料，其可以在保持完美透明性的同時，展現(xiàn)出如粗糙物體表面一般的啞光外貌。這類新型光學(xué)材料在隱形、成像和顯示等領(lǐng)域可能具有廣泛的應(yīng)用前景，有望切實(shí)改善人們?nèi)粘Ｉ钪械囊曈X體驗(yàn)。

在傳統(tǒng)光學(xué)中，一個歷史悠久的難題是透明性與啞光外貌之間的矛盾。例如，透明玻璃是整個光學(xué)的材料基礎(chǔ)，在現(xiàn)代社會中擁有廣泛的應(yīng)用。然而，其光滑表面也導(dǎo)致了鏡面倒影和眩光污染等不良影響。另一方面，具有粗糙表面或無序組分的常見物體，如墻、木頭、紙等，通常都具有啞光的外貌。漫散射消除了倒影和眩光，但是也導(dǎo)致其透明程度大幅下降。近年來，可獨(dú)立調(diào)控透射與反射的超表面的發(fā)展，為解決這個經(jīng)典光學(xué)難題提供了一個契機(jī)。2021年，南京大學(xué)賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作團(tuán)隊提出了一種無序翻轉(zhuǎn)超構(gòu)表面，成功地將漫反射與透射清晰成像的功能完美融合（Science Advances 7, eabj0935 (2021)）。然而，該超表面的漫反射能力是隨頻率變化的，只在690納米附近接近完美，而在400-500納米的區(qū)間幾乎失效，即不能覆蓋整個可見光頻段。此外，該超表面的最小特征尺寸約為100納米，因此難以加工出宏觀尺寸的樣品。這些缺點(diǎn)極大地限制了實(shí)際應(yīng)用。

2024年，該團(tuán)隊在原有的工作基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，首次基于成熟的工業(yè)級步進(jìn)式光刻技術(shù)，首次在玻璃表面加工了在全可見光頻段具有完美漫反射功能和高度透明性的宏觀尺寸超表面（直徑為10厘米）(Science Advances 10, eadm8061 (2024))。這種超表面被稱為：透明啞光表面（transparent matte surfaces）。具有這種表面的透明材料在透射上具有極高的透明清晰程度，類似于透明玻璃；而在反射上則具有類似粗糙物體的啞光外貌。

要融合漫反射與透明，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)極端不對稱的光散射。不對稱光散射可以通過將兩種反射相位差接近圓周率，而透射相位差接近0的超原子無序排列，組成無序超表面來實(shí)現(xiàn)。在之前的工作中，我們通過互易性定理與空間反演對稱性保證了在整個可見光頻段內(nèi)透射相位差為0。但是，要在整個光學(xué)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)反射相位差為圓周率依然是一個重大的挑戰(zhàn)。在此工作中，我們采用了一種出乎意料的簡潔方法，實(shí)現(xiàn)了寬頻反射相位差為圓周率的功能。通過在無序翻轉(zhuǎn)的金屬片結(jié)構(gòu)上方覆蓋一薄層電介質(zhì)，由于介質(zhì)表面與金屬片的反射波之間的干涉，剛好消除了金屬片反射相位差的頻率色散，最終在全可見光波段實(shí)現(xiàn)了圓周率的反射相位差。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明：這種設(shè)計能在整個可見光波段將原本金屬片的鏡面反射率降低幾十倍至~1%，甚至低于普通玻璃的鏡面反射率（~4%）。此外，由于金屬片單元的橫向尺寸為900納米，因此可以采用工業(yè)級步進(jìn)式光刻技術(shù)制備宏觀樣品。

圖1. 基于透明啞光表面的偽裝窗戶

下面通過與商用防眩光膜的對比來展示透明啞光表面的優(yōu)越性能。圖1直觀地展示了一個對比實(shí)驗(yàn)。圖1A展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置（插圖展示了樣品微納金片的分布圖）。我們在桌后側(cè)放置了一個開孔的小型攝影棚，將透明啞光表面樣品置于開孔處。桌前側(cè)放置了白色花瓶和彩色花朵，作為景物來驗(yàn)證樣品的反射與透射效果。圖 1B左圖展示了從外側(cè)拍攝的樣品照片的放大圖像，可見幾乎沒有反射倒影，外貌類似于普通金盤，具有啞光的特性。圖 1B右圖展示了從攝影棚內(nèi)部透過樣品向外拍攝的照片，可以清晰地看見花瓶和彩色花朵的細(xì)節(jié)，證實(shí)了樣品的透明清晰度極高。作為對比，如果用防眩光膜取代了透明啞光表面，盡管其同樣不會產(chǎn)生反射倒影（圖1C左圖），但是透明度卻大大降低。在攝影棚內(nèi)部透過它拍攝的景物非常模糊（圖1C右圖），難以分辨。因此，透明啞光表面相比防眩光膜的一大優(yōu)勢是其后的景物無論多遠(yuǎn)都可以清晰成像，可以作為窗戶使用。同時，漫反射的特征使得從外側(cè)看來，其外貌類似于不透明的普通物體，而非透明窗戶，實(shí)現(xiàn)了一種有趣的偽裝或“隱形”。

圖2. 基于透明啞光表面的偽裝攝像

基于這個原理，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的偽裝攝像。圖2展示了一個對比實(shí)驗(yàn)。這里我們將一個超低透射率的透明啞光表面樣品貼在照相機(jī)鏡頭上。此樣品的透射率僅為3%左右，總反射率約80%，但鏡面反射率在全可見光波段仍然保持為~1%（實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果）。由于這個樣品是微納鋁片組成的，其外貌類似于啞光的普通鋁片，對相機(jī)鏡頭有覆蓋偽裝功能。有趣的是，盡管透射率只有3%，相機(jī)鏡頭仍然能夠拍攝出清晰的照片（圖2A下圖）。作為對比，采用防眩光膜遮擋相機(jī)鏡頭時，可以清晰地看到后面的鏡頭，這是因?yàn)榉姥９饽さ耐干渎屎芨摺１M管透射率這么高，相機(jī)鏡頭拍攝的景物照片卻非常模糊（圖2B下圖）。這說明防眩光膜中的漫散射嚴(yán)重地破壞了透明性，使相機(jī)喪失了拍攝功能。相反，透明啞光表面則在實(shí)現(xiàn)啞光外貌的同時完美保護(hù)了透明性，從而實(shí)現(xiàn)了對透明材料的偽裝。

最后，圖3展示了基于透明啞光表面的一種新透明顯示方案，即把透明玻璃變成顯示屏。透明啞光表面的漫反射類似于電影院的幕布功能，可以投影顯示。再結(jié)合高透明性，就實(shí)現(xiàn)了透明顯示。圖3A展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置。樣品的后側(cè)放置了一支向日葵，投影儀將彩色蝴蝶投影到樣品的前側(cè)，并在同一側(cè)用相機(jī)拍攝。圖3B展示了樣品為透明啞光表面時拍攝的照片。顯然，投影的蝴蝶和樣品后面的向日葵都非常清晰。作為對比，如果用防眩光膜替代了透明啞光表面（圖3C），此時蝴蝶明顯暗淡了許多，同時向日葵也變得十分模糊。有趣的是，基于透明啞光表面的投影顯示還具有單側(cè)顯示的特征。圖3E展示了投影彩色鉛筆時從前后側(cè)分別拍攝的照片，可見前側(cè)鉛筆十分清晰，而后側(cè)則幾乎看不清鉛筆。這再次驗(yàn)證了極端不對稱的光散射。作為對比，使用防眩光膜時（圖3F），前后拍攝到的鉛筆亮度相近，意味著防眩光膜中的光散射在前后都存在。

圖3. 基于透明啞光表面的透明顯示

綜上所述，透明啞光表面在全可見光波段融合了透射清晰成像與完美漫反射，實(shí)現(xiàn)了一類特殊的光學(xué)材料，解決了光學(xué)中透明性與啞光外貌無法兼容這個難題。透明啞光表面技術(shù)具備廣闊的應(yīng)用價值，甚至可能帶來顛覆性的改變。例如，想象一輛汽車在外部看起來完全沒有窗戶，但內(nèi)部的駕駛員卻可以毫無阻礙地看到外界；或者一個四面都被墻壁包圍的房子，當(dāng)里面的人向外看時，墻壁卻好像是透明玻璃一樣，可以無礙地欣賞外界的全部景色。有了透明啞光表面，這些科幻場景不再是不可能實(shí)現(xiàn)的。此外，透明啞光表面還有望以較低的成本來實(shí)現(xiàn)大面積的動態(tài)高清透明顯示，可用于車載顯示、櫥窗顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等科技。

該研究成果以“Matte surfaces with broadband transparency enabled by highly asymmetric diffusion of white light”為題于2024年3月15日發(fā)表在國際重要期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。本文第 一作者為南京大學(xué)褚宏晨副研究員（現(xiàn)為南京師范大學(xué)研究員）和南京大學(xué)熊翔教授，通訊作者為南京大學(xué)賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授，合作者包括香港大學(xué)Nicholas X. Fang教授。研究工作得到了南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等平臺支持，以及科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。