柱状偏振飞秒激光脉冲产生全向彩虹结构色
【 希腊 IESL-FORTH研究所】

 

结构色是自然界中发现的一种独特的显色方式,是自然物种表面的复杂周期性结构将白光分解成各种单色光产生的[1]。基于这种独特的光学特性,由多周期结构组成的仿生衍射表面通常作为科研和工业应用中的衍射元件,用于彩色和全息显示、通信[2]、彩妆[3]、防伪[3-5]、光谱仪、颜色分析系统、太阳能电池[6]和生物医学设备等。

为了获得能够对任意角度的入射光都呈现有效衍射的全向彩虹色金属表面,入射光方向必须始终垂直于局部形成的LSFL,从而产生后向衍射。为了达到这一目的,可以利用波纹方向的偏振依赖特性在可变的正交方向上产生LSFL。特别是在每个激光扫描方向上分别采用不同的偏振态,如p和s偏振,制备栅格结构[7,8]。因此,这种表面可以在两个不同的入射平面上产生衍射。此外,最新的研究成果表明,利用圆偏振激光脉冲可以形成三角形的周期性表面结构,从而显著增大对入射光角度的响应范围[9]。然而,如何通过单步激光加工实现全方向彩虹色仍是一大挑战。

为解决这一挑战,希腊研究与技术基金会电子结构与激光研究所(简称IESL-FORTH)的Emmanuel Stratakis博士研究团队提出了一种利用飞秒(fs)激光制备任意角度的彩虹色结构的方法,该方法简单有效,对360°入射光均有优秀的彩虹色效果。该工作以“Omnidirectional iridescence via cylindrically-polarized femtosecond laser processing”为题发表在Opto-Electronic Advances 2020年第5期

研究表明,这种全角度的衍射效应是由多方向、低空间频率的周期性结构(LSFL)引起的。本工作系统地研究了这种结构作为衍射光栅的能力,并将其与线偏振激光脉冲制备的常规衍射结构进行了比较。现有的结果证明,利用径向偏振飞秒激光脉冲在表面形成的多方向光栅可以模仿某些自然物种的全向结构显色特性。如图1(a)所示,与线性偏振光束获得的结构(S1)相比,利用径向偏振的飞秒激光脉冲制备的光栅结构(S2)可以高效地将入射光分解成单色光,并在全视角下呈现彩虹色。

图1(a)和(b)分别为观察的S1和S2样品的结构色示意图

研究团队简介

希腊IESL-FORTH研究所的超快激光微纳米加工实验室(ULMNP,http://stratakislab.iesl.forth.gr/)致力于提供新型的超快脉冲激光加工方案,在各种固体材料上实现微米和纳米量级的可控结构化图形制备。利用超短波长的紫外(UV),可见光(Vis)和红外(IR)激光脉冲,可以获得具有亚微米特征尺寸的新型平面结构,同时还可以显著改善半导体、电介质和金属材料的物理特性。现有的超快激光加工方案包括不同材料上的微/纳米表面结构化制备,偏振态可调的激光直写,以及上述两种方案的组合。通过精准设计的纳米结构获得特定的3D结构功能化,可以实现对表面形貌的进一步控制。这种能够发射小于几十皮秒光脉冲的超短脉冲激光器所具备的优异特性,为其在新型光子器件中的应用铺平了道路。团队的研究目标是开拓超短激光脉冲在各种材料微/纳米尺度结构化制备、合成和功能化中的应用,及其在不同应用领域的诊断学研究,包括仿生结构,微流体,柔性光电器件和组织工程学等。利用聚焦飞秒激光脉冲从根本上调控材料,为光子工业的创新和进一步开发提供了全新的手段。

References

[1] A. G. Dumanli and T. Savin, “Recent advances in the biomimicry of structural colours,” Chem. Soc. Rev., 2016, 45(24): 6698–6724.

[2] K. Hagiwara, and H. Asakura, “Holographic Fourier diffraction gratings with a high diffraction efficiency optimized foroptical communication systems,” Appl. Opt., 1992, 31(16): 3015–3019.

[3] E. G. Loewen and E. Popov, Diffraction Gratings and Applications. Taylor & Francis, 1997.

[4] Hansen, “(12) United States Patent S371(c)(1), (2), (4) Date,” 2014, 1(12) .

[5] F. Rößler, T. Kunze, and A. F. Lasagni,“Fabrication of diffraction based security elements using direct laser interference patterning,” Opt. Express,  2017, 25(19): 22959.

[6] S. Singth, “Diffraction gratings : Aberrationsand applications,” Opt. laser Technol.,  1999, 31(3): 195-218.

[7] J. Yao et al., “Selective appearance of several laser-induced periodic surface structure patterns on ametal surface using structural colors produced by femtosecond laser pulses,” Appl. Surf. Sci., 2012, 258(19): 7625–7632.

[8] T. Jwad, P. Penchev, V. Nasrollahi, and S.Dimov, “Applied Surface Science Laser induced ripples ’ gratings with angular periodicity for fabrication of diffraction holograms,” Appl. Surf. Sci., 2018, 453: 449–456.

[9] J. M. Romano, A. Garcia-Giron, P. Penchev,and S. Dimov, “Triangular laser-induced submicron textures for functionalising stainless steel surfaces,” Appl. Surf. Sci., 2018, 440: 162–169.

相关论文

Livakas N, Skoulas E, Stratakis E. Omnidirectional iridescence via cylindrically-polarized femtosecond laser processing.Opto-Electron Adv 3, 190035 (2020).

 DOI:10.29026/oea.2020.190035