科學家研發超穎材料設備 全息技術從科幻走向現實

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

美國科幻電影《星球大戰》中描繪的全息技術，相信大家不會陌生。然而，澳大利亞國立大學的物理學家們，發明了一種微型納米設備，以構建高質量的全息圖像，讓科幻走向現實。

科幻

（圖片來源於：維基百科）

先從科幻說起，介紹一下《星球大戰》。

它由美國盧卡斯電影公司拍攝，以太空科幻為題材的電影系列，描繪了在遙遠的太空中，各種英雄人物的冒險經歷。這部電影包括「正傳三部曲」：1977年 星球大戰－曙光乍現 ；1980年 星球大戰－帝國反擊戰 ；1983年 星球大戰－絕地大反攻，還有「前傳三部曲」、「後傳三部曲」，以及相關的電視劇、動畫片和小說。

技術

《星球大戰》中，最讓人難忘的前沿技術就是全息技術。

所謂全息技術，就是利用光線幹涉和衍射原理，記錄並再現物體真實的三維圖像的技術。

首先，利用幹涉原理記錄物體光波信息，被攝物體在雷射輻照下，形成漫射式的物光束；然後，另一部分雷射作為參考光束，射到全息底片上，和物光束疊加產生幹涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉換成在空間上變化的強度，從而利用幹涉條紋間的反差和間隔，將物體光波的全部信息記錄下來。

為了讓大家更直觀的體驗，我從《星球大戰》相關系列電影和動畫題材中，分別選取了幾幅圖片，供大家參考。

材料

然而，實現任何技術都離不開材料，全息技術更需要特殊材料。此時，一種材料走入了科學家的視線，她就是：「超穎材料」。

超穎材料，是指一類通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的材料。然而，由「超穎材料」構成的薄層，就成了「超穎表面」，它對光線的控制效果前所未有。

在研究中，澳國科學家使用了一種「超穎表面」，它由「亞波長共振器件」構成，每個器件都可以改變入射光線的相位、振幅和極化。正是由於超穎表面具備這種控制和重塑入射光線的能力，它的應用範圍除了全息技術外，還包括太陽能電池、計算機、通信、傳感器以及顯微鏡等方面。

但是，目前大多數的超穎表面都是一種「電漿子平面結構」，然而這種結構的材料大部分效率較低，因為他們的金屬組件會帶來損耗。然而，科學家們又發明了一種「全介質共振納米光子結構」，可以吸收損耗，提高整體效率。

（圖片來源於：澳大利亞國立大學）

製造

有了材料，就要開始考慮造設備了，看看澳大利亞國立大學的物理學家們是怎麼做的？

（圖片來源於：澳大利亞國立大學）

科學家使用了36種不同的納米柱，高865納米，半徑在79納米到212納米之間，組成一種方型網格形狀。每個納米柱作為全息圖的一個子像素。為了將這些材料製造成超穎表面，科學家使用了低壓化學汽相沉積多晶矽，電子束蝕刻定義了納米柱的幾何形狀，反應離子蝕刻將幾何結構轉化成矽。

（圖片來源於：澳大利亞國立大學）

研究的合作領導者Sergey Kruk 博士稱，設備由數百萬個微型矽柱構成，每個矽柱的直徑不到人類頭髮的五百分之一。

效果

（圖片來源於：澳大利亞國立大學）

該超穎全息設備，能夠創造灰度級的高解析度圖像，並且可以轉化90%的光線，衍射效率在1600納米波長下達99%，操作的頻譜帶寬是375納米。迄今為止，這是超穎全息設備中效率最高的。

這個方案還可以應用其他材料例如Ge,、GaAs、TiO2、鑽石等等，操作的波長範圍可以擴展到其他波長，特別是可見光。

應用

這項研究的領導作者 Lei Wang 稱，他們發明的這種複雜的紅外線全息圖像，未來有望應用於工業領域。

他說，「未來，全息技術研究將在顯示器和增強現實設備中，扮演十分重要的角色。所以現在，我們正在致力於研究許多其他相關應用，例如用於攝像機和衛星的超薄和輕量的光學設備。」

這種設備將取代笨重的器件，使得攝像機變得小型化，減少宇宙飛船上光學設備的尺寸和重量，降低太空任務的成本。同時，智慧型手機、智能硬體、AR/VR設備也屬於它的應用場景。

合作

Kruk 博士稱，澳大利亞國立大學領導了該設備的設計、製造和光學測試。另外，美國橡樹嶺國家實驗室以及中國南京大學也共同參與了開發。

這項研究由澳大利亞研究理事會支持，目前作為一個重大科學突破，以備忘錄的形式發表在《光學》雜誌上。

結語

從科幻走向現實的過程是複雜的，需要技術研究、尋找材料、製造設備、驗證效果、協力合作、實踐應用等一系列的過程，但是憑藉努力探索和創新實踐，這一切並不是不可能。

大家有興趣的話，也可以歷數一下，有多少曾經的科幻，都變成了如今的現實。未來，隨著科學技術的發展，我們有望看到更多科幻中的技術，走到現實生活中來，造福於人類。

參考資料

【1】http://www.anu.edu.au/news/all-news/sci-fi-holograms-a-step-closer-with-anu-invention

【2】Lei Wang, Sergey Kruk, Hanzhi Tang, Tao Li, Ivan Kravchenko, Dragomir N. Neshev, Yuri S. Kivshar. Grayscale transparent metasurface holograms. Optica, 2016; 3 (12): 1504 DOI: 10.1364/OPTICA.3.001504

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