使用光线“作画”：可精确控制透射光强度的新型纳米柱

通过将白光投射在刻有数以百万计的微小的二氧化钛柱的玻璃片上，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）及其合作者成功复刻了荷兰画家Johannes Vermeer的名作“戴珍珠耳环的少女”，复制品栩栩如生，色彩逼真，光影微妙。

图1 此图生动再现了使用同时控制入射光线颜色和强度的纳米柱技术，复刻Johannes Vermeer “戴珍珠耳环的少女”的过程（南京大学 T. Xu 供图）

这种方法在改进光通信技术和货币验真技术方面具有潜在的应用价值。比如，通过增加或者移除特定的光线颜色（即波长），可以控制光纤中光信号所携带的信息；通过改变光强，可以保证光信号在长距离光纤传播中强度不变。另一方面，这种技术可用于在纸币上刻印微小复杂、难以伪造的颜色细节。

在此之前，其他科学家曾使用白光照射过各种尺寸的微型柱或纳米柱，这些柱状材料可捕获特定颜色并传输特定颜色的光线。纳米柱宽度约为600纳米，比发丝直径百分之一还要小；其宽度决定了纳米柱捕获、传输光线的颜色。为了测试这项技术，科学家们试验了纳米柱还原Johannes Vermeer等画家名画颜色的效果。

尽管此前已有几个研究小组已经成功地排列了数百万个大小不一、可传输红绿蓝光、呈现出特定输出颜色的纳米粒子，但仍然无法控制输出颜色的强度。色彩的强度或亮度决定了图像的光影效果（即明暗对比），增强了传达透视和深度印象的能力，这是Vermeer作品的标志性特征。

而最新的研究表明，纳米柱不仅可以捕获、传输特定颜色光线，还可以不同程度地改变光的偏振。美国国家标准与技术研究院的研究人员和南京大学的研究人员首次展示了一种可同时控制光的颜色和强度的方法。美国国家标准与技术研究院的Amit Agrawal和 Wenqi Zhu, 马里兰大学帕克分校, 以及美国国家标准与技术研究院的Henri Lezec，在9月4号在线发表的第20期Optica上描述了这一发现。

在美国国家标准与技术研究院团队的最新研究中，团队在一个玻璃载玻片上制造了横截面为椭圆形的二氧化钛纳米粒子。粒子横截面并非直径均匀的圆形，因为椭圆形有两个不同长度的轴：长轴和短轴。

研究人员按照一定方式排列了纳米柱，使得不同位置的纳米柱的长轴与入射白光的偏振方向成特定角度。（偏振光是指在空间中传播时电场方向沿特定方向振动的光。）若纳米柱的长轴与入射光的偏振方向完全一致，透射光的偏振不会受到影响；若长轴与入射光呈一定夹角，纳米柱就会将入射光的偏振方向旋转两倍夹角——例如，当入射光与长轴呈20度时，出射光偏振方向将旋转40度。

玻片上纳米柱的长轴方向经过精心排列，每个位置的纳米柱都会将入射红光、绿光及蓝光的偏振方向旋转一定角度。

尽管刻有纳米柱的玻璃片不会对入射光强产生任何影响，但在后面加一个偏振滤波片，就可以实现对入射光强的调节。偏振滤波片的选择方向与入射光的方向垂直，阻止与原入射光偏振方向一致的光线通过。（墨镜的工作原理与之类似，镜片垂直偏光滤波，以降低水平眩光。）玻璃片上，入射光的偏振方向未被纳米柱改变的位置，将会在远处的屏幕上投射出一个黑点；入射光的偏振方向发生旋转的位置，滤波片同时允许部分红、绿、蓝光透过，透过的多少取决于入射光的旋转角度——旋转角度越大，透射光的强度就越大。通过这种方法，研究组首次实现了对透射光颜色和强度的同时控制。

在有了基本的设计构思之后，美国国家标准与技术研究院的研究 人员们着手制造了“戴珍珠耳环的少女”微缩版本的数字复制品，长约1毫米。随后根据这些数字信息制造了数百万个纳米柱阵列。他们使用一组五个纳米柱——一个红色，两个绿色，两个蓝色——来控制画中每个像素的颜色和强度——其中每个纳米柱都与入射光呈一定夹角。用白光照射纳米柱矩阵，可以看到复制出的“戴珍珠耳环的少女”图像极其清晰，甚至捕捉到了原作画布上的油画纹理。

“复刻品的质量及其对颜色层次和光影细节的微妙把握，简直非比寻常。” Agrawal说。他是美国国家标准与技术研究院的研究员，同时也是本文的共同作者。“这项工作以一种优雅的方式将艺术与纳米技术结合了起来。”

为了制造纳米柱，Agrawal及其同事首先在玻璃上沉积了一层只有几百纳米厚的超薄聚合物，然后使用像微型钻头一样的电子束，在聚合物中挖出了数百万个不同尺寸和方向的小孔。下一步，他们使用原子层沉积的技术，用二氧化钛回填这些孔洞。最后，蚀刻掉洞周围所有的聚合物，留下的就是数以百万计的二氧化钛柱。每个纳米柱的尺寸和方向分别控制着最终毫米大小图像的色调和亮度。

这种纳米柱成像技术未来可用于光纤通信中，以传输特定颜色和强度的光，或者在贵重物品上印上难以复制的微型多色调识别标记。