新的研究揭示，量子力学中的强耦合概念为制造光学滤光片提供了前所未有的机会。
来自科隆大学、比利时哈瑟尔特大学和苏格兰圣安德鲁斯大学的合作团队利用强光-物质耦合的量子原理创造了一项创新的光学技术。这一突破解决了光学系统中长期存在的角度依赖性问题。他们的研究题为“通过超强光-物质耦合打破薄膜光学中的角色散极限”，发表在《自然通讯》上，介绍了超稳定薄膜极化子滤光片，承诺将革新光子学、传感器技术、光学成像和显示应用等领域。该研究由科隆大学化学和生物化学系的汉堡纳米与生物光子学中心主任马尔特·加瑟教授领导。
光学滤光片在众多应用中发挥着至关重要的作用。然而，当光以不同角度照射到它们上时，效率显著降低；这导致光的颜色发生变化，具体取决于观察位置。这一性能下降是由于基本的物理定律，可能对光学传感器的准确性产生负面影响。
该国际研究团队提出的解决方案利用了一个量子力学原理：当光子与有机材料的能态进行强耦合时，它们会产生被称为极化子的结构。
传统的薄膜滤光片由多个交替的透明层组成，通常采用金属氧化物制成。光与每一层相互作用，部分被反射或透过。这些层的厚度通过光波的相长干涉和相消干涉决定了最终的颜色，类似于肥皂泡的闪光表面。通过这些薄层的精细相互作用，可以精确调节这些滤光片的光学特性。然而，这种方法固有的使得滤光片容易受到角色散的影响——当滤光片倾斜时，光谱特性可能向较短波长偏移（称为蓝移）。在他们的新方法中，研究人员将强吸收的有机染料纳入光学滤光片中，从而实现了干涉光与这些染料之间的强耦合。
“通常，人们的目标是尽量减少光谱滤光片中的吸收以保持其光学质量。然而，我们故意利用有机材料的强光吸收能力来创造具有出色传输特性的角稳定极化子模式，”科隆大学研究的首席作者安德烈亚斯·米什科克博士解释道。
该团队成功开发出具有显著角稳定性的滤光片，在超过80°的极端观察角度下，光谱偏移不到15nm。复杂的多层设计达到了高达98%的峰值传输率，媲美现有的最佳传统滤光片。
在与哈瑟尔特大学的科恩·范德瓦尔教授团队的联合研究中，研究人员已将极化子滤光片嵌入有机光电二极管中，开发出了窄带光电探测器，为高光谱成像（例如材料表征）以及紧凑型光学传感器的发展铺平了道路。
该研究还表明，这项技术有可能应用于聚合物、钙钛矿、量子点等材料，从而将这一新滤光片原理扩展到更广泛的波长范围。极化子滤光片的潜在应用包括微光学、显示技术、传感器系统和生物光子学。在所有这些领域，新开发的滤光片的角度无关特性可以简化光学系统的设计，同时增强其功能。马尔特·加瑟教授强调：“这标志着我们设计光学滤光片方式的变革。通过利用一种根本新颖的方法来解决角色散的挑战，我们正在解锁光学系统全新的可能性。”
研究团队将极化子滤光片视为下一代光学组件的基础，具有显著的科学和经济潜力。未来的努力将集中在将滤光片纳入如LiDAR（光探测和测距）和荧光显微镜等传感器，并探索在显示技术中的应用。
