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  對(duì)光的選擇和控制一直以來(lái)是器件設(shè)計(jì)者和制造者所追求的目標(biāo)。光作為一種平面電磁波在傳播中有三個(gè)基本性質(zhì)：頻率，極化和角度。頻率選擇和極化選擇已經(jīng)有了成熟的解決方案，然而在角度選擇方面基礎(chǔ)研究和商業(yè)化均進(jìn)展緩慢。近期，Lux Labs印可楨，曲俞睿，John D. Joannopoulos，Marin Solja?i?，沈亦晨團(tuán)隊(duì)在寬帶光的角度選擇方面取得了突破性進(jìn)展。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Enabling Manufacturable Optical Broadband Angular-Range Selective Films”發(fā)表在ACS Nano上。Lux Labs的角度選擇膜在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的突破在于：1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光全光譜（400-700nm）的角度選擇與控制；2）角度選擇的效果在空氣中就可以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需折光率匹配液；3）角度選擇膜的制備使用傳統(tǒng)工程塑料，工業(yè)中試級(jí)別的擠出設(shè)備，可以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

  經(jīng)典的1D-Photonic Crystal由兩種不同材料以A/B/A/B的方式組成多層膜；在精準(zhǔn)控制每層厚度達(dá)到可見光波長(zhǎng)1/4的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該波長(zhǎng)的反射。這其中利用了兩種材料的折射率的差異。然而如果兩種材料的折射率相同的話，高分子多層膜則如同單一材料一樣透明。根據(jù)此原理，可以讓兩種材料在一個(gè)方向的折射率的匹配的，在另一個(gè)方向產(chǎn)生折射率差異，從而達(dá)到角度選擇的效果。也就是說(shuō)，當(dāng)光正入射時(shí)，角度選擇膜是透明的（折射率匹配）；而當(dāng)光斜入射時(shí)，角度選擇膜由于折射率差，產(chǎn)生光子禁帶將光反射回去。將不同厚度的多層膜疊加，就可以實(shí)現(xiàn)可見光全光譜的角度選擇（圖一）。

圖一. 角度選擇膜的光學(xué)理論：a，示意圖顯示 p-偏振光以零和非零角度入射在 1D PhC 上。不同的顏色（藍(lán)色和灰色）代表雙層的不同折射率。帶隙僅出現(xiàn)在非零入射角處。b，1D PhC 上以零和非零角度入射的 p-偏振光的透射光譜。1D PhC 有 80 個(gè)雙層，周期為 100 nm。c，雙層結(jié)構(gòu)堆疊機(jī)制的示意圖。d，不同周期的 85 個(gè)疊層的 p-偏振透射光譜。每個(gè)堆棧由 50 個(gè)各向同性-各向異性雙層組成。A層和B層的厚度比為1:1。

  文章中的角度選擇膜使用了傳統(tǒng)工程塑料PETG（polyethylene terephthalate glycol）和PA（polyamide），經(jīng)由241層共擠模具擠出。膜寬12英寸，單次收卷長(zhǎng)度為100英尺。通過(guò)不同度多層膜的疊加，可實(shí)現(xiàn)垂直防線透光率至80%；60°方向反射率至75%。將角度選擇膜貼在一臺(tái)iPhone上可以看到：手機(jī)里的彩虹圖片在垂直方向清晰可見而在60°方向被角度選擇膜擋住。（圖二）

圖二. 角度選擇膜的實(shí)現(xiàn)：a，角度選擇膜成品和多層結(jié)構(gòu)的AFM表征。b，角度選擇膜在可見光范圍內(nèi)不同角度的透光率。c，iPhone中的彩虹圖案穿過(guò)角度選擇膜在垂直方向清晰可見。d，iPhone中的彩虹圖案在60°方向被角度選擇膜所遮擋。

  角度選擇膜在太陽(yáng)能電池，手機(jī)電腦隱私屏幕，汽車玻璃，傳感器領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。LuxLabs的角度選擇膜提出了先進(jìn)的光學(xué)原理，依托傳統(tǒng)高分子材料和生產(chǎn)方法，證明了該產(chǎn)品的理論基礎(chǔ)和商業(yè)化可行性。歡迎學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛合作。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07417