撰稿 | 周倩苇
近日，科学家们Trevon Badloe, Joohoon Kim等人发表了题为 “Liquid Crystal Powered Mie Resonators for Electrically Tunable Photorealistic Color Gradients and Dark Blacks”的科技文章。从自然界产生的美丽色彩中汲取灵感，由超表面产生的结构色彩已显示出作为明亮、高饱和度和高分辨率色彩平台的巨大潜力。等离子体和介电材料都已用于产生满足高性能彩色印刷所需标准的静态颜色，红色、绿色和蓝色的混色调色板的组合能够表达超出三基色的更多颜色，而伴随的强度调制允许访问全色域。但是，对于动态情况下的实际应用，需要一种可调节性形式。这篇文章展示了一种电可调超表面，可以表示饱和的红色、绿色和蓝色像素，可以使用液晶在开启和关闭状态之间动态连续地控制。文章用它来实验性地实现超高分辨率彩色打印、有源多色密码应用和可调谐像素，以实现高性能全彩色反射显示器。该文章已发表在 Light: Science & Applications 期刊上。
由精心设计的亚波长结构（称为超原子）组成的超表面是调制电磁(EM) 波的光学组件。有关超表面的各种实际应用已经得到证实，例如在全息术、透镜、和全固态激光雷达。通过利用纳米级结构，超表面的工作波长被移动到可见光区域，从而为高分辨率和高性能纳米光学提供了一个平台，具有极小的外形尺寸。从大自然中汲取灵感，结构色是一种反射或传输特定波长光的方法。与通过颜料和染料产生美观色彩的传统方法相比，基于超表面的结构色具有抗褪色和提供超高分辨率的额外好处，同时还对环境友好。尽管使用各种等离子体和介电材料的结构颜色已经证明，由于色域超出了传统的显示技术，它们的静态特性是一个根本性的限制因素。最近，使用超表面对主动可调结构颜色有许多不同的方法。具有可调光学特性的材料，例如相变材料，或通过化学反应已经得到证明。然而，这些方法通常依赖于等离子体的使用，其缺点是可见光区域的欧姆损耗很大，这对亮度和色彩性能产生了不利影响。其他可行的方法包括采用电致变色半导体或聚合物，其光学特性可通过电控制，以及通过使用可拉伸基底对间原子的空间位置进行物理操纵。
在传统显示器中，液晶(LC) 多年来一直是色彩再现的关键组件。它们的多功能性也导致了与超表面结合的许多应用，用于电可调活性纳米光子器件，包括结构颜色的示例。但对于基于活性超表面的结构颜色，仍然需要实现明亮、饱和的颜色以及深黑色状态。此外，管理明暗之间的间歇状态对于允许生成颜色渐变以通过访问整个色域来产生逼真的结果至关重要。到目前为止，这些功能尚未在单个可调超表面中实现。此外，使用LC 的可调谐结构颜色的示例依赖于等离子体超表面，其在蓝色波长处遭受不可避免的欧姆损失，限制了它们在这些波长上的适用性，并且黑色状态只能通过使用辅助偏振器来阻挡偏振与超表面相互作用后的光。
这篇文章通过数值设计和实验演示了电可调谐全电介质超表面，并研究了它们在密码应用以及全色反射显示器中的用途。椭圆形超原子提供偏振相关的光学响应，该响应通过实施电可调谐LC 单元进行调制，在明亮、饱和的“开”状态和深黑色“关”状态之间提供几乎线性的过渡（见图1）。学者证明了超表面不仅能够产生高质量的照片级逼真的彩色打印，并且可以作为一种隐藏和显示多色信息的技术（见图2），而且还可以作为完全可控的彩色像素，而无需任何额外的光学元件，例如分析仪。此外，根据米氏散射和源自晶格的准导模共振（qGMR）杂化，揭示和讨论了工作机制的基本原理。这项工作有可能扩展到完全可调的反射式显示器，覆盖整个范围的不同色调，亮度可控（见图3），低功耗薄膜显示器仅在适当的安全条件下激活，以及用于AR 耳机的微型显示器，不仅具有影响在显示行业，但也有望应用于安全系统。
图1. 椭圆形元原子与 LC 相结合，实现电可调结构颜色。
图2. 逼真的彩色打印和多色密码术。
图3. 反射式显示器的电可调彩色像素。
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