基于金属-介质-金属薄膜的激光烧蚀结构色彩机制及应用研究

Plasmonic colours are structural colours stemming from resonant interactions between light and metallic nanostructures, have become emerging research hot topics due to the high resolution and non-fading features. They have mediated a variety of appealing applications including colour printing, anti-counterfeit and information storage. However, the stringent fabrication through electron beam lithography restrains their efficiency and up-scalability for practical applications. In addition, the concomitant Ohmic dissipation of plasmon oscillation results in the broadening of the resonant spectrum, leading to a low color saturation and hence a narrow gamut. Here, we propose a highly efficient and up-scalable colour printing technique based on femtosecond-pulsed laser beam induced ablation of metal-dielectric-metal films. The strong coupling between the scattered beam from the ablated nano-structures and the Fabry-Perot resonance beneath mediates a flexible tunability in both the resonant peak and the spectral width. Through the insight of the fundamental mechanism of femtosecond-pulsed-beam induced ablation at the subwavelength scale as well as the coupling effect between the Fabry-Perot resonance and ablated nano-structures, full colour printing technique with a high saturation and a wide gamut can be realized.

基于表面等离激元共振结构色彩的打印技术以其高分辨率、不易褪色、色彩明亮等优点以及在防伪图案、信息加密存储等领域的应用前景成为当前的研究热点。然而，目前报道的表面等离激元共振结构色彩打印技术还面临一些核心科学技术问题亟待解决，一方面电子束刻蚀为主的加工手段限制了其大面积高效率的应用，另一方面等离激元结构的伴生吸收损耗导致共振光谱谱线较宽，因而色彩饱和度较低色域较窄。针对上述问题，本项目提出了利用飞秒脉冲激光烧蚀金属-介质-金属薄膜的高效低成本彩色打印技术，通过引入金属层间耦合作用来实现调控表面等离激元共振结构色彩的光谱范围和压窄光谱线宽。通过本项目的研究揭示亚波长尺度下飞秒激光与金属薄膜相互作用微观机制以及法布里-珀罗共振与金属纳米结构之间的耦合效应，从而实现全可见光波段高饱和度、广色域的彩色打印技术。

近些年来，随着纳米加工技术的发展和纳光子学研究的深入，拥有不易褪色、分辨率极高、色彩明亮等优点的表面等离激元彩色打印技术倍受关注成为研究热点。国内外研究人员先后报道了利用电子束光刻、离子束刻蚀等多种加工方式制备纳米彩色像素的技术，并逐步实现了扩大打印色域、动态显示图像、复用与加密图像信息等丰富的性能与功能。然而昂贵的纳米加工手段限制了其大规模的应用前景。随着激光加工技术的普及，利用激光与物质相互作用实现大面积、高速率的打印成为表面等离激元彩色打印技术实用化的重要途径。. 基于以上研究现状，本项目围绕紧聚焦飞秒脉冲激光与钛-介质-金属夹心结构相互作用实现的结构色彩产生，从其相互作用的微观机制、纳米结构对共振散射光谱的调控、饱和度和色域调控等几个方面进行了全面的研究。经过上述研究，我们掌握了飞秒聚焦光斑与多层膜结构相互作用规律，实现了不同形貌“纳米火山”结构的制备工艺；获悉了钛-介质-金属夹心结构上的“纳米火山”所支持的共振模式与夹心结构的法布里-珀罗共振模式之间的耦合效应对散射谱线的影响。此外，我们还发现了由于横向模式和竖向模式之间的竞争关系带来的散射谱线和颜色随入射角度的剧烈变化。. 本项目的研究成果在揭示光与物质相互作用规律领域上有重要意义。首先，本项目的研究提出了利用多层膜共振腔对飞秒激光进行调控，从而实现对所制备结构形貌的控制，丰富了激光加工技术的内容。其次，本项目的研究结果提出利用纳米结构将法布里-珀罗共振模式的共振能量耦合到远场，实现了较窄线宽的散射谱线产生。这种方法在此项目相关成果公开前，尚未见到报道，为特定波长散射谱线的产生提供了新的原理和思路。最后，本项目还研究了由于模式竞争和耦合效应带来的散射谱线变化，丰富了纳米结构色彩产生和调控的外延，为其在防伪、信息加密等领域的应用奠定了基础。