对光的选择和控制一直以来是器件设计者和制造者所追求的目标。光作为一种平面电磁波在传播中有三个基本性质:频率,极化和角度。频率选择和极化选择已经有了成熟的解决方案,然而在角度选择方面基础研究和商业化均进展缓慢。近期,Lux Labs印可桢,曲俞睿,John D. Joannopoulos,Marin Solja?i?,沈亦晨团队在宽带光的角度选择方面取得了突破性进展。相关成果以标题为“Enabling Manufacturable Optical Broadband Angular-Range Selective Films”发表在ACS Nano上。Lux Labs的角度选择膜在学术界和工业界的突破在于:1)实现了对可见光全光谱(400-700nm)的角度选择与控制;2)角度选择的效果在空气中就可以实现,无需折光率匹配液;3)角度选择膜的制备使用传统工程塑料,工业中试级别的挤出设备,可以进行大规模工业化生产。
经典的1D-Photonic Crystal由两种不同材料以A/B/A/B的方式组成多层膜;在精准控制每层厚度达到可见光波长1/4的时候可以实现对该波长的反射。这其中利用了两种材料的折射率的差异。然而如果两种材料的折射率相同的话,高分子多层膜则如同单一材料一样透明。根据此原理,可以让两种材料在一个方向的折射率的匹配的,在另一个方向产生折射率差异,从而达到角度选择的效果。也就是说,当光正入射时,角度选择膜是透明的(折射率匹配);而当光斜入射时,角度选择膜由于折射率差,产生光子禁带将光反射回去。将不同厚度的多层膜叠加,就可以实现可见光全光谱的角度选择(图一)。
图一. 角度选择膜的光学理论:a,示意图显示 p-偏振光以零和非零角度入射在 1D PhC 上。不同的颜色(蓝色和灰色)代表双层的不同折射率。带隙仅出现在非零入射角处。b,1D PhC 上以零和非零角度入射的 p-偏振光的透射光谱。1D PhC 有 80 个双层,周期为 100 nm。c,双层结构堆叠机制的示意图。d,不同周期的 85 个叠层的 p-偏振透射光谱。每个堆栈由 50 个各向同性-各向异性双层组成。A层和B层的厚度比为1:1。
文章中的角度选择膜使用了传统工程塑料PETG(polyethylene terephthalate glycol)和PA(polyamide),经由241层共挤模具挤出。膜宽12英寸,单次收卷长度为100英尺。通过不同度多层膜的叠加,可实现垂直防线透光率至80%;60°方向反射率至75%。将角度选择膜贴在一台iPhone上可以看到:手机里的彩虹图片在垂直方向清晰可见而在60°方向被角度选择膜挡住。(图二)
图二. 角度选择膜的实现:a,角度选择膜成品和多层结构的AFM表征。b,角度选择膜在可见光范围内不同角度的透光率。c,iPhone中的彩虹图案穿过角度选择膜在垂直方向清晰可见。d,iPhone中的彩虹图案在60°方向被角度选择膜所遮挡。
角度选择膜在太阳能电池,手机电脑隐私屏幕,汽车玻璃,传感器领域有着广阔的应用前景。LuxLabs的角度选择膜提出了先进的光学原理,依托传统高分子材料和生产方法,证明了该产品的理论基础和商业化可行性。欢迎学术界和工业界的广泛合作。
文章链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07417
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