邱敏實(shí)驗(yàn)室研究人員采用“飛秒激光無墨彩色打印”技術(shù)打印出的圖案。西湖大學(xué)供圖

今年6月，西湖大學(xué)邱敏教授團(tuán)隊(duì)在國際期刊《自然?通訊》上發(fā)表了題為《激光快速直寫結(jié)構(gòu)色實(shí)現(xiàn)全色彩無油墨打印》的研究文章。文章指出，通過采用氮化鈦和氮化鈦鋁兩種超硬陶瓷材料組成的復(fù)合薄膜作為特殊“紙”，利用超快激光在其表面進(jìn)行微納加工，“飛秒激光無墨” “ 可以實(shí)現(xiàn)。研究成果為激光無墨彩色打印技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。

無墨彩色印刷的理念源于自然

在自然界中，當(dāng)光線照射到大量精細(xì)有序的結(jié)構(gòu)上時，就會發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉等反應(yīng)。由此產(chǎn)生的顏色稱為結(jié)構(gòu)色，例如昆蟲和鳥類的彩色翅膀。此過程中不使用任何顏料。并且與顏料相比，結(jié)構(gòu)色具有不褪色、高分辨率、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

據(jù)了解，邱敏教授團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，嘗試?yán)贸旒す庠诓牧媳砻嬷圃煳⒓{結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，并成功研發(fā)出“飛秒激光無墨彩色打印”技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了近90%的RGB標(biāo)準(zhǔn)色彩系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前主流的激光著色技術(shù)。在打印速度方面，該技術(shù)達(dá)到了破紀(jì)錄的每秒10平方厘米，這意味著1分鐘即可完成一張A4紙的全彩打印。在打印分辨率方面，該技術(shù)超過傳統(tǒng)油墨打印最高分辨率10倍以上。

如此高的性能與這種印刷技術(shù)的“紙”和“筆”是分不開的。

特殊的“紙”和“筆”

“紙”——是一種復(fù)合陶瓷膜，厚度僅為110納米左右，僅為人類頭發(fā)絲的千分之一。

這張“紙”分為三層：底層是金屬氮化鈦，作為光反射層，阻擋光線穿透，增加亮度；中間層是高損耗氮化鋁鈦電介質(zhì)，可以調(diào)節(jié)自然光的吸收——眾所周知，物體的顏色是由它們吸收的光決定的；頂層是氧化鋁。當(dāng)超快激光作用于氮化鋁鈦表面時，會形成一層附加的基于氧化鋁的透明薄膜，它與氮化鋁鈦一起調(diào)節(jié)吸收的自然光。

復(fù)合陶瓷薄膜表面超快激光著色原理示意圖

“筆”指的是飛秒激光。

飛秒，也叫飛秒，是一種測量時間長度的測量單位。飛秒激光是人類在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得最短脈沖的技術(shù)手段。

飛秒激光的特點(diǎn)包括： 1、持續(xù)時間極短。它比電子方法獲得的最短脈沖短數(shù)千倍。是人類在實(shí)驗(yàn)條件下可以獲得的最短脈沖； 2.第二激光器具有非常高的瞬時功率，可以達(dá)到100億瓦； 3、飛秒激光可以聚焦到比頭發(fā)絲直徑還要小的空間區(qū)域，使得電磁場的強(qiáng)度強(qiáng)于原子核對周圍電子的作用力。高了好幾倍。

在“飛秒激光無墨彩色打印”科研項(xiàng)目中，飛秒激光并不直接在物體表面制造結(jié)構(gòu)，而是將其“雕刻”在陶瓷薄膜紙上。激光作用于薄膜后，通過控制入射激光的能量或掃描速度，可以同時改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦薄膜的厚度；厚度改變后，入射的自然光會穿過三層薄膜結(jié)構(gòu)，它們之間復(fù)雜的干涉效應(yīng)產(chǎn)生特定的反射顏色。

與此同時，邱敏教授團(tuán)隊(duì)的研究人員利用能量色散X射線、X射線光電子能譜、X射線衍射、聚焦離子束刻蝕等多種技術(shù)手段，對材料進(jìn)行了分析。激光著色區(qū)域并確認(rèn)觀察到的顏色。它確實(shí)來自激光誘導(dǎo)的氧化層。

值得注意的是，研究人員對“飛秒激光無墨彩印”作品進(jìn)行了一系列破壞性測試，測試了高溫高濕環(huán)境下的老化性能，測試了鹽霧環(huán)境下的耐腐蝕性能，并進(jìn)行了經(jīng)歷了光漂白、粘附等實(shí)驗(yàn)，但依然“永恒”。這是因?yàn)榈X鈦表面形成的致密的氧化鋁膜起到了良好的保護(hù)層的作用。經(jīng)過一系列國標(biāo)抗老化測試，研究人員進(jìn)一步證實(shí)，激光對氮化鋁鈦造成的色差仍然存在