來自科隆大學、哈塞爾特大學（比利時）和圣安德魯斯大學（蘇格蘭）的研究團隊成功地將強光-物質耦合的量子力學原理用于一種光學技術，克服了光學系統(tǒng)中長期存在的角度依賴性問題。

發(fā)表在《自然通訊》上的研究“通過超強光-物質耦合打破薄膜光學的角度色散限制”提出了超穩(wěn)定的薄膜極化激元濾波器，為光子學、傳感器技術、光學成像和顯示技術開辟了新的途徑。

科隆大學的這項研究由數(shù)學與自然科學學院化學與生物化學系洪堡納米和生物光子學中心主任 Malte Gather 教授領導。

濾光片對于許多應用都是必不可少的。但是，當光線從不同角度照射到它們時，它們的性能會大大降低——透射光的顏色會根據(jù)視角而變化。這種性能下降是由于基本物理原理造成的，可能會對光學傳感器的精度產生嚴重影響。

該國際團隊開發(fā)的解決方案利用了量子力學的一個原理：當光粒子與有機材料的能量態(tài)強烈耦合時，會產生所謂的極化激元。

傳統(tǒng)的薄膜過濾器由許多交替的透明層組成，通常由金屬氧化物制成。光被這些單獨的層部分反射或透射。然后，它們的厚度通過光波的相長干涉和相消干涉決定透射光的顏色，可與肥皂泡的閃爍顏色相媲美。

濾波器的透射和反射特性可以通過許多此類薄層的受控相互作用來精確調整。然而，這種物理原理使濾光片從根本上容易受到所謂的角度色散的影響，即當濾光片傾斜時，光譜特性向較短波長（藍移）轉變。

在他們的新方法中，科學家們將強吸收性有機染料集成到濾光片中，這導致干涉光與染料的強烈耦合。

“通常，您希望避免在光譜濾光片中產生任何形式的吸收，以免影響其光學質量。然而，我們專門利用有機材料中的強光吸收來產生具有出色傳輸特性的角度穩(wěn)定的極化激元模式，“該研究的第一作者、科隆大學的 Andreas Mischok 博士說。

該團隊能夠開發(fā)出具有出色角度穩(wěn)定性的濾光片，即使在超過 15° 的極端視角下，光譜偏移也小于 80 nm。復雜的多層設計還顯示出高達 98% 的峰值透射率，該值相當于目前可用的最佳傳統(tǒng)濾光片。

在與哈塞爾特大學 Koen Vandewal 教授博士小組的合作研究項目中，科學家們將極化激元濾光片集成到有機光電二極管中，以創(chuàng)建窄帶光電探測器，為高光譜成像的進步鋪平了道路，例如用于材料表征和緊湊型光學傳感器。

該研究表明了將該技術應用于聚合物、鈣鈦礦、量子點和其他材料的可能性，從而將新的濾光片原理轉移到更寬的波長范圍。極化激元濾光片的可能應用領域包括微光學、顯示器、傳感器技術和生物光子學。

在所有這些領域，新濾光片的角度獨立性可以大大簡化光學系統(tǒng)的設計并擴展其功能。領導科隆大學這項研究的 Malte Gather 教授說：“這是我們設計濾光片方式的顛覆性變化。通過使用一種全新的方法解決角度色散問題，我們正在為光學系統(tǒng)開辟全新的可能性。

研究團隊將極化激元濾光片視為具有巨大科學和經濟潛力的下一代光學元件的基石。除了將濾光片集成到 LiDAR（光探測和測距）和熒光顯微鏡等傳感器中外，未來的工作將集中在顯示技術中的應用。

更多信息：Andreas Mischok 等人，通過超強光-物質耦合打破薄膜光學的角度色散限制，Nature Communications （2024）。

DOI： 10.1038/s41467-024-54623-1期刊信息： Nature Communications 

由科隆大學提供