极化激元色散管理和极化激元滤波器光学建模的一般概念。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-54623-1

来自科隆大学、哈塞尔特大学（比利时）和圣安德鲁斯大学（苏格兰）的研究团队成功地将强光-物质耦合的量子力学原理用于一种光学技术，克服了光学系统中长期存在的角度依赖性问题。

发表在《自然通讯》上的研究“通过超强光-物质耦合打破薄膜光学的角度色散限制”提出了超稳定的薄膜极化激元滤波器，为光子学、传感器技术、光学成像和显示技术开辟了新的途径。

科隆大学的这项研究由数学与自然科学学院化学与生物化学系洪堡纳米和生物光子学中心主任 Malte Gather 教授领导。

滤光片对于许多应用都是必不可少的。但是，当光线从不同角度照射到它们时，它们的性能会大大降低——透射光的颜色会根据视角而变化。这种性能下降是由于基本物理原理造成的，可能会对光学传感器的精度产生严重影响。

该国际团队开发的解决方案利用了量子力学的一个原理：当光粒子与有机材料的能量态强烈耦合时，会产生所谓的极化激元。

传统的薄膜过滤器由许多交替的透明层组成，通常由金属氧化物制成。光被这些单独的层部分反射或透射。然后，它们的厚度通过光波的相长干涉和相消干涉决定透射光的颜色，可与肥皂泡的闪烁颜色相媲美。

滤波器的透射和反射特性可以通过许多此类薄层的受控相互作用来精确调整。然而，这种物理原理使滤光片从根本上容易受到所谓的角度色散的影响，即当滤光片倾斜时，光谱特性向较短波长（蓝移）转变。

在他们的新方法中，科学家们将强吸收性有机染料集成到滤光片中，这导致干涉光与染料的强烈耦合。

“通常，您希望避免在光谱滤光片中产生任何形式的吸收，以免影响其光学质量。然而，我们专门利用有机材料中的强光吸收来产生具有出色传输特性的角度稳定的极化激元模式，“该研究的第一作者、科隆大学的 Andreas Mischok 博士说。

该团队能够开发出具有出色角度稳定性的滤光片，即使在超过 80° 的极端视角下，光谱偏移也小于 15 nm。复杂的多层设计还显示出高达 98% 的峰值透射率，该值相当于目前可用的最佳传统滤光片。

在与哈塞尔特大学 Koen Vandewal 教授博士小组的合作研究项目中，科学家们将极化激元滤光片集成到有机光电二极管中，以创建窄带光电探测器，为高光谱成像的进步铺平了道路，例如用于材料表征和紧凑型光学传感器。

该研究表明了将该技术应用于聚合物、钙钛矿、量子点和其他材料的可能性，从而将新的滤光片原理转移到更宽的波长范围。极化激元滤光片的可能应用领域包括微光学、显示器、传感器技术和生物光子学。

在所有这些领域，新滤光片的角度独立性可以大大简化光学系统的设计并扩展其功能。领导科隆大学这项研究的 Malte Gather 教授说：“这是我们设计滤光片方式的颠覆性变化。通过使用一种全新的方法解决角度色散问题，我们正在为光学系统开辟全新的可能性。

研究团队将极化激元滤光片视为具有巨大科学和经济潜力的下一代光学元件的基石。除了将滤光片集成到 LiDAR（光探测和测距）和荧光显微镜等传感器中外，未来的工作将集中在显示技术中的应用。

更多信息：Andreas Mischok 等人，通过超强光-物质耦合打破薄膜光学的角度色散限制，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-54623-1

期刊信息： Nature Communications