尽管结构色取得了一定的进展和突破，但在实际的色彩显示，分子探测，光学安全与存储应用中还是受到一定限制，这是因为这些结构色技术只能达到上述5个关键参数中的一个或几个。该研究工作设计并用实验实现了5个颜色关键参数的同时突破(图1)。
图1 不同结构色在空间分辨率、可制造性、反射率、半高宽比值和色域面积参数的对比
为了实现上述的参数，设计了单晶硅超表面。从材料角度看，硅材料性质稳定，而且和CMOS技术兼容，符合大批量生产和长时间耐用性的要求。此外，硅的高折射率使得高性能结构色的简单结构设计成为可能，这对于低成本的纳米制造至关重要。并且单晶硅的损耗低，利于实现高亮度的结构色。如图2(a)所示，该结构由硅纳米圆柱和氧化铝基底组成，通过加入折射率匹配层(DMSO溶液或PMMA封装层)，使得颜色的鲜艳程度大幅提升。研究团队在商用silicon on sapphire (SOS) wafer上制备样品，实验色域面积达到了181.8% 的sRGB, 135.6%的Adobe RGB, 以及97.2%的Rec.2020，如图2(b)所示。作者利用折射率匹配层抑制了基底的反射，与Kerker条件类似，电偶极共振与磁偶极共振之间的相消干涉将进一步减少主反射峰外的不理想反射。与磁偶极子相比，电偶极子共振更靠近边界，对环境折射率变化更敏感。因此，折射率匹配层可以将电偶极子共振推到磁偶极子共振，从而缩小反射光谱的FWHM。研究团队制备了108个色块与汉字“福”对结构色进行展示，如图2(c)-(n)所示，加入折射率匹配层DMSO溶液后颜色的饱和度和鲜艳度都得到了大幅的提高。
图2 广色域结构色的实现与展示(a)单晶硅超表面的结构和工作原理示意图。(b)硅超表面结构色在空气( 三角形)和DMSO溶液(五角星)中的实验色域。(c)和(d)为实验记录的108个色块分别在空气和DMSO中的颜色。(e)-(i)实验制备的汉字“福”在空气中的颜色(j)-(n)加入折射率匹配层后所对应的颜色。
除了高反射率、窄FWHM、广色域、大规模可制造性和长时间耐用性之外，空间分辨率也是结构色的另一个关键参数，研究人员制备了3×3、2×2的硅圆柱阵列以及 “凤凰”和“彩虹”图案，虽然每个像素单元的数量从9个减少至4个，但像素颜色仍然保持的很好。从“凤凰”和“彩虹”的图案可以明显看出，尽管像素单元的数量从5×5减少至2×2，图案的颜色并没有明显的减弱。显微镜图像显示，即使接近衍射极限，仍然可以分辨出不同的颜色。小像素尺寸、颜色均匀性和颜色可分辨性证实了硅超表面可以产生具有衍射极限分辨率的结构色。
最后，研究人员展示了一个“孔雀”的微观彩色图像来演示任意结构色图案的制备，如图3所示。当样品在显微镜下被白光照射时，在图3(b)中可以清楚地看到绿色、蓝色和紫色等颜色均匀、明显的“孔雀”图像。加入DMSO溶液后，“孔雀”立即改变，图案变得更加鲜明和富有活力。对比图3(b)和图3(c)，很容易看出彩色图像是可以动态切换的。同时，DMSO溶液中图案的背景几乎是完全黑暗的，这也是背景反射减少的直接证明。研究人员指出折射率匹配层并不局限于DMSO之类的溶液。它也适用于液晶或固态材料。图3(d)显示了用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装后的“孔雀”的图像。结果与图3(c)基本一致。
研究成果发表在 Nature Communications 期刊上。
以TiO2涂层为自清洁材料的研究从上个世纪九十年代起便受到人们的关注。但在微纳光学领域，与自清洁有关的研究始终是一片空白。如今随着理论研究的深入和先进制备手段的发展，超构表面大规模商用的步伐逐渐加快，市面上也迫切需要能保持超表面清洁的技术来降低超表面的应用成本。例如，对于光学相干断层成像技术(OCT)和内窥镜来说，最大的挑战是日常使用中的污染和清洁，这与昂贵仪器的使用寿命密切相关。其他昂贵的光学元件，如物镜、光栅、金属反射镜和薄膜分束器，也存在类似的情况。由于纳米光子学的机械脆性和起伏形态，需要研究有效的自清洗方法来延长纳米结构的寿命。因此，TiO2超表面的自清洁能力的研究将对整个行业产生推动作用。
图3 硅超表面结构色的全彩展示(a)“孔雀”图案的SEM表征。(b)和(c)为“孔雀”图案分别在空气和DMSO溶液中的颜色。(d)PMMA封装之后 “孔雀”图案的颜色。
TiO2在紫外光照射下不仅具有光催化响应，生成对有机污染物具有高降解活性的光生空穴和光生电子，同时还将具有超疏水的性质，当水滴落到二氧化钛薄膜表面后会迅速铺展开形成一层水膜，同时带走附着在TiO2表面的污染物。基于这一性质，我们用硬脂酸模拟有机污染物，首先研究了TiO2超表面结构色的紫外自清洁效果。如图4(a)所示，三个颜色的TiO2结构色在被SA覆盖后反射率明显降低，且在显微镜下也能看到明显的污染物覆盖。在将被污染后的样品浸泡在水中并用紫外光照射后，反射率回复到原本的值，同时在显微镜下观察，结构色表面的SA也被完全去除。在重复该过程10次后，三个颜色的峰值反射率依然维持在较高水平，表明紫外自清洁过程并不会破坏超表面的微纳结构。
除此之外，我们还分别研究了TiO2超透镜(图4 (b))和超表面全息(图4 (c))的紫外自清洁效果。原本消色差透镜在可见光内对各个波长的焦距是相近的，但是在被SA覆盖后，由于SA较空气更高的折射率，显著影响了单元结构之间的谐振，使超透镜的消色差特性被破坏，同时在各个波长的效率也明显降低。同样地，超表面全息被SA覆盖后也出现全息图像亮度下降，图像不连续的现象。在紫外自清洁过程后，超透镜和全息样品的表现均回复到原本水平，表明了TiO2超表面卓越的自清洁作用。
最后，我们还研究了TiO2超表面对人类指纹的自清洁效果。指纹成分复杂，主要包含各类氨基酸、油脂、灰尘和无机盐等，光学仪器一旦沾染指纹便很难去除。如图4 (d)所示，由不同结构色组成的图案在经过指纹按压后被明显污染，产生颜色分布不均和明显油污覆盖的区域。在将该样品置于水中并用紫外光照射30分钟并用水冲洗后，样品表面的油污被完全去除，恢复到指纹按压前的状态。
图4 TiO2超表面的紫外自清洁性能。(a)TiO2结构色的自清洁效果及超过10次的循环稳定性。(b)TiO2消色差超透镜在自清洁后，焦距及效率都恢复污染前的水准。(c)TiO2全息超表面在污染后呈现的全息图像亮度降低且不连续，自清洁后恢复。(d)被指纹污染的超表面依然能通过紫外自清洁恢复原本特性。
综上所述，我们深入探讨了TiO2超表面的紫外自清洁效果，实验结果表明，TiO2的紫外自清洁作用对于结构色、全息和消色差超透镜给均具有明显的效果，同时能在实际应用中消除人类指纹这类一般情况下难以去除的污染物，能极大延伸TiO2超表面在未来应用中的使用寿命的应用范围。
该成果发表于光学权威期刊Laser & Photonics Reviews上。
开发和利用新能源，改善现有能源供给体系是当今世界各国关注的重点。太阳能因为绿色无污染、取之不尽用之不竭等优点而备受青睐，有望为人类生活和生产各个应用领域提供充足的能源供给。光-热转换技术是直接利用太阳能的一种日趋广泛的太阳能开采技术，其技术相对简单，转换效率高。目前，对于光-热转换技术的研究主要集中在聚焦式太阳能光热发电系统 (CSP)，其核心部件为太阳光谱选择性吸收涂层。在CSP系统中，光-热-电的转换效率与太阳光的聚焦倍数，吸收体的温度，以及吸收体的截至波长极其相关。我们通过结合金属陶瓷和多层膜结构设计了一个基于纳米准光学微腔的高太阳光吸收体，并通过调节膜层厚度和金属陶瓷成分比制备了不同转变波长的选择性吸收体，以满足不同工作条件下实现经济收益和效率最大化。
图5 (a)截至波长分别为1500 nm(S1), 1800 nm(S2),和2000 nm(S3)的反射光谱以及到达地球的大气质量为1.5的太阳辐射光谱。(b)和(c)为三个样品在873 K高温条件，不同太阳光聚焦倍数工作条件下的光热和光热电效率计算值。(d)为不同截至波长吸收体的最佳工作条件示意图。
在该研究中，我们首先通过分析太阳光的聚焦倍数，吸收体的温度，以及吸收体的截至波长三者之间的关系，确定了具有不同截至波长的吸收体达到效率最大化的最佳工作条件。为了提高吸收体的高温稳定性能，使其在高温环境下具有长期稳定的工作寿命，我们通过双金属(W和Ta)合金化的策略制备了高温稳定的WTa-SiO2金属陶瓷层，其单层金属陶瓷层在真空600 ℃环境中光学性能极其稳定。通过不同截至波长的设计，并制备了1500 nm，2000 nm，和2500 nm三种不同截至波长的太阳光谱选择性吸收体，如上图5(a)所示。通过理论计算可以发现，所制备的太阳光吸收体在不聚焦低温82 ℃环境中其光热转换效率可高达91.8%-93.8%，其光热电转换效率在高温600 ℃环境中可达60%以上， 如图 5(b)和(c)所示。对于不同转变波长的吸收体，在相同的工作温度873 K环境中，达到最佳转换效率的聚焦倍数有所不同。对于具有较短 (1500 nm)转变波长的吸收体，其太阳光聚焦倍数可低于380。继续升高太阳光聚焦倍数可抑制热辐射损失的权重，因而对于1800 nm转变波长的吸收体获得最佳的转换效率更有利。长转变波长 (2000 nm) 的吸收体具有更高的太阳光吸收能力，但不可避免的会产生更大的热辐射损失，因此需要更大的太阳光聚焦以减弱辐射损失的权重，如图 5(d)所示。
基于准光学微腔结构，我们设计了不同转变波长的高温稳定太阳光谱选择性吸收体，所制备的吸收体在高温600 ℃的真空环境稳定性良好，最佳的太阳光吸收可达96.7%左右。对于较短转变波长1500 nm的吸收体具有作为塔式太阳光聚焦发电系统的应用潜力。最后，考虑成本和效率，我们对不同转变波长的吸收体的最佳工作环境进行了更明确的规划。
该研究成果已发表在Solar Energy期刊上。
多维度（波长、偏振、模式）复用在光互连、光计算、信号处理、非线性光学等方面都具有广泛的应用。利用正交的导波模式作为信息载体，模式复用可以通过单波长实现超高速、大容量的片上光互连。然而，多模波导对光场限制作用弱，而且模式之间容易发生串扰，使得片上模式复用的大规模集成和布线面临挑战。
图 6 基于数字化超结构的弯曲波导示意图，3D FDTD仿真场图，以及两种模式复用波导的片上任意布线的显微镜照片
我们展示了一种具有强大光场调控能力的数字化超结构，其结构示意图如图6所示。通过逆向设计，实现了迄今尺寸最小的三模式弯曲波导，其半径仅为3.9µm；此外还设计了尺寸仅为8×8μm2的三模式交叉波导。与传统器件相比，这两种器件的尺寸缩小了1个数量级，可以极大地提高模式复用系统的集成密度。基于这两种器件，我们实现了多模波导进行任意布线，而且波导回路紧凑。然后通过CMOS兼容的标准硅光子工艺对如图所示的三模式进行了制备和表征，获得了非常低的传输损耗和模式串扰。为了进一步验证任意布线的紧凑型多模波导的性能，如图所示的两种回路成功对三模式复用的信号（3×100 Gbit/s）进行了传输，其传输性能如图7所示。
图 7 3×100 Gbit/s的模式复用系统经过片上回路传输的信噪比和星座图
光电器件的小型化、高集成度、低功耗是现代光电技术的主要发展方向之一。基于光电器件向小型化，高集成度，低功耗的发展方向，人们广泛展开了对新材料、新腔体设计以及新的物理机制方向的研究。微纳激光光源作为光电器件的重要组成部分，其在光学集成芯片，生物传感等领域内有着巨大的潜在应用价值。过去数十年间对微纳激光器的研究取得了长足的进展，但目前的微/纳米激光器仍面临着以下两个方面的挑战：传统微纳激光器通常是通过掺杂染料的聚合物和III-V半导体等作为增益材料，其他材料(例如GaN，ZnO，Cds]和新型卤化铅钙钛矿材料也可作为半导体微纳激光器增益介质。但是这些材料难以集成到半导体光子平台中(如硅和氮化硅等)。其次，传统半导体材料的激子结合能非常小，在室温下不能稳定存在，使得对光与物质相互作用的研究大多只能在低温下进行。 有机卤化铅钙钛矿材料具有优异的光学性质，例如大的光学吸收系数、高载流子迁移率、长的电子-空穴扩散长度，室温下稳定存在的激子，带隙可调等，近年来对其在光伏领域内的研究进展迅速。 研究发现，卤化铅钙钛矿材料还可作为良好的激光增益介质。利用溶液合成和微纳加工的方法制备的钙钛矿微盘展现了良好的激光特性。但是溶液合成的钙钛矿晶体合成后其形状固定，尺寸相对随机，使得其在实际应用中极为受限，微纳加工制备的钙钛矿微盘则会在一定程度上损伤钙钛矿材料的光电性能。
基于此，实验室近日研究探索了一种钙钛矿和氮化硅基底所组成的新型微纳激光腔体构型。实验中通过电子束曝光和刻蚀制备功能性的氮化硅基底，并通过将钙钛矿纳米薄片转移覆盖在氮化硅基底上，在不损伤钙钛矿材料光电性质的同时，研究人员得到了不同形状的钙钛矿/氮化硅谐振腔。利用钙钛矿纳米薄片良好的柔性，钙钛矿材料可以紧贴在氮化硅基底表面，激光器的谐振腔由氮化硅基底形状决定，钙钛矿纳米薄片则可提供光学增益。进而，研究人员在实验上实现了模式数目、模式间距、方向受控的回音壁模式微纳激光器。此外，通过制备氮化硅微盘阵列，也可实现钙钛矿/氮化硅的微盘激光器阵列。研究人员还制备了耦合型的腔体结构，研究了回音壁模式激光器之间的耦合效应。
图8 复合集成片上激光的示意图和激光光谱图。
该工作展示了钙钛矿纳米薄片与氮化硅微盘混合结构作为片上光源的潜力，对片上生物传感芯片等应用将提供助力。同时，这一构型还为研究光与物质相互作用提供了一个良好平台。该工作以Back Cover 形式发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201800189)上。
