撰稿|由课题组供稿
想象一辆汽车，从外部看起来好像完全没有窗户，但内部的驾驶员却可以毫无阻碍地看到外界；或者一个四面都被墙壁包围的房子，当里面的人向外看时，墙壁却好像是透明玻璃一样，可以无碍地欣赏墙外的全部景色。要实现上述科幻般的场景，需要一种特殊的光学材料，不仅拥有类似粗糙物体的哑光外貌，还能保持完美透明。然而，传统的光学材料中并不存在这种材料。例如，拥有光滑表面的均质玻璃是透明的，但同时会伴随着镜像与眩光。如果将玻璃表面粗糙化，可以消除镜像与眩光，实现哑光外貌。但是，其透明性也会大幅降低，让透射的景像变得模糊，即透明玻璃变成了毛玻璃。传统光学中产生漫散射的方法，无论是粗糙表面，还是无序介质，都不可避免地破坏了系统的透明性（图1A）。正因如此，透明性与哑光外貌形成了一对矛盾的光学属性，这个难题自古以来一直未获解决。
图1. A. 传统漫散射。 B. 基于超表面的极端不对称漫散射。
近十几年来，超表面的蓬勃发展给光学领域带来了显著的进步。基于超表面独立调控透反射相位的能力，可以实现一种极端不对称、集中在背向的漫散射，从而解决哑光外貌与透明性之间的矛盾。通过将两种反射相位差接近𝜋，而透射相位差接近0的超原子无序排列并组成超表面，就可以实现这种极端不对称的漫散射（图1B）。然而，要具备实际应用价值，这个功能的带宽需要覆盖整个可见光波段。2021年，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队，设计了一种无序翻转超表面，首次成功地将漫反射与透射清晰成像的功能在超表面中完美融合（Science Advances 7, eabj0935 (2021)）。在该项设计中，由于光学互易性和空间反演对称的保护，整个可见光频段都可以透射清晰成像。然而，完美漫反射的频宽却比较有限，只存在于690 纳米波长附近。当偏离这个频率时，反射相位差偏离𝜋，导致漫反射效果明显变弱，在400-500纳米区间几乎消失。此外，这种无序翻转超表面的最小特征尺寸约为100纳米，难以加工出宏观尺寸的样品。这些缺点极大地限制了实际应用。
近日，该团队在原有的工作基础上开拓创新，首次基于成熟的工业级步进式光刻技术，首次在玻璃表面加工了在全可见光频段具有完美漫反射功能和高度透明性的宏观尺寸超表面（直径为10厘米）。这种超表面被称为：透明哑光表面（transparent matte surfaces）。具有该表面的玻璃，可以在整个可见光波段（400-800纳米）保持完美透明性的同时，展现出如粗糙物体表面一般的哑光外貌（镜面反射率~1%，仅占总反射率的几十分之一，低于普通玻璃的镜面反射率~4%）。这类新型的光学材料在隐形、成像和显示等领域有广泛的应用前景，有望实现一系列前所未有的新应用，包括：让窗户“隐形”（伪装成不透明材料），将玻璃变成单侧显示的高清透明显示屏，等等。该研究成果以“Matte surfaces with broadband transparency enabled by highly asymmetric diffusion of white light”为题于2024年3月15日发表在国际重要期刊《科学进展》上[Science Advances 10, eadm8061 (2024)]。
图2. A. 两种超构原子及其干涉设计。 B. 宽频反射相位差为𝜋的物理机制
透明哑光表面由透明衬底中两层互补的随机分布金属反射片构成（图2A）。一般来说，这类结构的反射相位差会随着频率变化。因此，要在整个可见光频段实现固定为𝜋的反射相位差是一个不小的挑战。有趣的是，我们发现了一种出乎意料的简洁方法来实现这个目标：在无序翻转的金属片结构上方覆盖一薄层电介质，通过介质表面与金属片的反射波之间的干涉，刚好消除了金属片反射相位差的频率色散，最终在全可见光波段实现了𝜋的反射相位差（图2B）。此外，另一项重要的改进是将金属片单元的横向尺寸放大到900纳米，此时可以采用工业级步进式光刻技术来制备宏观样品。下面将通过与商用防眩光膜的对比来展示透明哑光表面的优越性能。
图3. 基于透明哑光表面的伪装窗户
图3直观地展示了一个对比实验。图3A展示了实验设置（插图展示了样品微纳金片的分布图）。我们在桌后侧放置了一个开孔的小型摄影棚，将透明哑光表面样品置于开孔处。桌前侧放置了白色花瓶和彩色花朵，作为景物来验证样品的反射与透射效果。图 3B左图展示了从外侧拍摄的样品照片图像，可见样品几乎没有反射倒影，外貌类似于普通金盘，具有哑光的特征。图 3B右图展示了从摄影棚内部透过样品向外拍摄的照片，可以清晰地看见花瓶和彩色花朵的细节，证实了样品的透明清晰度极高。作为对比，如果用防眩光膜取代了透明哑光表面，尽管其同样不会产生反射倒影（图3C左图），但是透明度却大大降低。在摄影棚内部透过它拍摄的景物非常模糊（图3C右图），难以分辨。因此，透明哑光表面相比防眩光膜的一大优势是其后的景物无论多远都可以清晰成像，可以作为窗户使用。同时，漫反射的特征使得其外貌从外部看来类似于不透明的材料，实现了一种有趣的伪装或“隐形”。
图4. 基于哑光透明超表面的伪装摄像
基于透明哑光表面，还可以实现独特的伪装摄像。图4展示了一个对比实验。这里我们将一个超低透射率的透明哑光表面样品贴在照相机镜头上。此样品的透射率仅为3%左右，总反射率约80%，但镜面反射率在全可见光波段仍然保持为~1%（实验测量结果）。由于这个样品是微纳铝片组成的，其外貌类似于哑光的普通铝片，覆盖在相机镜头上产生了伪装的功能。有趣的是，尽管透射率只有3%，相机镜头仍然能够拍摄出清晰的照片（图4A下图）。作为对比，采用防眩光膜遮挡相机镜头时，由于防眩光膜的透射率很高，可以清晰地看到后面的镜头。尽管透射率这么高，相机镜头拍摄的景物照片却非常模糊（图4B下图）。这说明了防眩光膜中的漫散射严重地破坏了其透明性，使相机丧失了拍摄功能。相反，透明哑光表面则在实现哑光外貌的同时完美保护了透明性，从而实现了对透明材料的伪装。
图5. 基于透明哑光表面的高清透明显示
透明显示就是透明的显示屏，即在透明玻璃上实现动态显示，有望成为下一代车载显示、橱窗显示、增强现实等技术的基础。图5展示了基于透明哑光表面的一种新透明显示方案。透明哑光表面的漫反射类似于电影院的幕布功能，因此可以以投影的方式显示动态影像。结合投影显示与高透明性，就实现了透明显示。图5A展示了实验设置。样品的后侧放置了一支向日葵，投影仪从前侧将一只彩色蝴蝶投影到样品上，并在同一侧用相机拍摄。图5B展示了基于透明哑光表面样品拍摄的照片。显然，投影的蝴蝶和样品后面的向日葵都非常清晰。作为对比，如果用防眩光膜替代了透明哑光表面（图5C），此时蝴蝶明显暗淡了许多，同时向日葵也变得十分模糊。蝴蝶暗淡的原因是防眩光膜的漫反射光较少，而向日葵模糊的原因则是漫反射降低了透明性。有趣的是，透明哑光表面的投影显示具有单侧的特征。图5E展示了投影一排彩色铅笔时从前后侧分别拍摄的照片，可见前侧铅笔十分清晰，而后侧则几乎看不清铅笔。这验证了透明哑光表面的光散射只存在于前侧，是极端不对称的。作为对比，使用防眩光膜时（图5F），前后拍摄到的铅笔亮度接近，意味着防眩光膜中的光散射在前后侧都存在。最后，我们展示了基于这种透明显示技术的增强现实。摄像头透过透明哑光表面获取其后的物体图像信息，通过图像识别系统识别出物体，再将物体的名称投影在透明哑光表面上。这样可以动态地显示物体的名称，实现了一种简单的增强现实应用（图5H）。作为对比，防眩光膜的透明度太低，导致图像识别系统无法识别出物体（图5I）。
综上所述，透明哑光表面在全可见光波段融合了透射清晰成像与完美漫反射这两个功能，实现了一类特殊的光学材料，解决了光学中透明性与哑光外貌无法兼容这个经典难题。透明哑光表面技术具有非常广阔的应用前景。例如，通过漫反射去除透明玻璃表面的镜面倒影与眩光，这有望大大减少城市光污染，改善日常生活体验；基于具有哑光外貌的透明窗户，可以更自由地设计车辆、房屋的外观，实现“无窗”却可透视的科幻场景；基于伪装摄像，可以赋予监控设备“隐形”的能力；而结合投影技术，则有望用较低的成本实现大面积的动态高清透明显示，推动车载显示、橱窗显示、增强现实等科技的发展。
本文第一作者为南京大学褚宏晨副研究员（现为南京师范大学研究员）和熊翔教授。通讯作者为南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授。合作者包括香港大学Nicholas X. Fang教授。研究工作得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台支持，获得科技部重点研发计划，国家自然科学基金等项目资助。
全文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm8061
