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近日，南方科技大學化學系副教授陸為課題組在光活化磷光方法應用于立體三維（3D）顯示的研究中取得進展，研究成果以“A Prototype of Volumetric Three-Dimensional Display Based on Programmable Photo-activated Phosphorescence”（《基于可程控光活化磷光發(fā)射的立體三維顯示模型》）為題在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上發(fā)表。

立體三維顯示技術在醫(yī)療成像、軍事和建筑成像等方面有巨大的應用前景。在電影《星球大戰(zhàn)》中，可以在空氣中投射出三維圖像的機器人R2-D2給觀眾留下了深刻印象。R2-D2所采用的顯示技術即為立體3D顯示技術。在現實世界中，雖然人類的技術還無法實現電影中的酷炫效果，但相關的研究卻從未停止。

圖1.電影《星球大戰(zhàn)》中的機器人R2-D2投射的立體三維圖像

目前，立體3D顯示技術采用的主要原理是利用分散在空氣或溶液中的介質對激光光束的散射、吸收或發(fā)射等，在立體空間形成所期望的圖像。分子光譜學技術或光化學技術是一種比較有前景的可應用于立體3D顯示的光學技術。在以往研究中，具有代表性的光化學技術有雙光束控制的稀土離子上轉換發(fā)光3D顯示技術、雙光束控制的可逆熒光活化的數字光處理（DLP）3D顯示技術等。然而兩種技術均存在一定局限性，稀土離子上轉換發(fā)光技術需要很高強度的激光激發(fā)，危險且難以控制；而可逆熒光活化技術雖然操作相對容易，但因熒光的Stokes位移小，所獲得的熒光圖案對比度相對較低。因此，開發(fā)一種既操作簡便、又圖案對比度高的光化學立體3D顯示技術是目前的難點。

圖2.基于PAP的3D顯示模型及其原理

在前期研究工作中，陸為課題組發(fā)現了光化學除氧溶液（二甲亞砜DMSO就是一種典型的光化學除氧溶劑）體系中長壽命磷光化合物的光活化磷光發(fā)射（PAP）現象（相關論文發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1784；Chem. Commun. 2018, 54, 3907；Chem. Commun. 2019, 55, 4299）。在此基礎上，陸為課題組開發(fā)了一種基于磷光化合物光活化磷光發(fā)射（Photo-activated Phosphorescence, PAP）的立體三維顯示系統(tǒng)模型（如圖2所示）。在這個模型中，研究人員首先選定了含兩種磷光化合物（光敏劑Pt(TPBP)和發(fā)射子Pt(OEP)）的DMSO溶液，然后再根據這兩種磷光化合物的特性對該溶液施加兩束激發(fā)光束。在針對光敏劑吸收光束的作用下，光敏劑吸收光能產生三重激發(fā)態(tài)，溶液中的氧氣吸收光敏劑三重激發(fā)態(tài)的能量形成激發(fā)態(tài)氧（1O2），激發(fā)態(tài)氧與DMSO反應，生成二甲基砜，從而消耗了溶液中的氧氣，進而在光束通過的地方形成一片微環(huán)境乏氧的區(qū)域（相當于一個虛擬的屏幕）；在另一束相對較弱的針對發(fā)射子吸收的光束作用下，通過控制這束光的強度，可使其僅在兩束光交匯的地方，激活發(fā)射子的磷光，從而在兩束光交匯的立體空間形成體素點。研究人員采用光譜儀對磷光體像素點進行了充分的表征，驗證了磷光化合物光活化磷光發(fā)射體3D顯示用于實際的可能。

圖3.基于PAP的3D顯示裝置及顯示效果圖

根據設計的系統(tǒng)模型，研究人員搭建了一個3D顯示裝置，該裝置包含濃度在10–5 M量級的Pt(TPBP)和Pt(OEP)的DMSO溶液及用于盛放溶液的立方石英槽，一個針對光敏劑吸收波長的可以發(fā)射出線型光束的激光器，一臺DLP投影儀（用于激發(fā)發(fā)射子）。利用此裝置，研究人員制作了一系列3D圖像和動畫。3D顯示的基本操作如下：（1）對于普通的文字或圖形，首先在PPT中制作好需要的文字或圖案，其顏色設置為綠色（510 nm），背景設置為黑色，開啟除氧光束（光束厚度較薄），把PPT中的圖案投影到除氧光束所在位置，即可在三維空間觀察到相應的紅色圖案；（2）對于具有立體結構的圖案，過程與（1）所述相同，只是需要把除氧光束的厚度加厚，以圓筒為例，在PPT中設置的圓形光束穿過除氧區(qū)域，即可在三維空間觀察到一個立體的紅色圓筒。

研究人員詳細介紹了磷光化合物的選擇標準和兩束激發(fā)光波長和強度的選擇依據：所選兩種磷光化合物的吸收和發(fā)射光譜必須正交，而且發(fā)射子在可見光區(qū)有較強的磷光發(fā)射且不能有熒光，光敏劑在可見光區(qū)沒有發(fā)射或發(fā)射在近紅外區(qū)。

該研究工作拓展了長壽命磷光化合物的應用，開發(fā)了一種基于PAP的3D顯示模型，揭示并闡述了在此模型中起到關鍵性作用的兩項因素：磷光化合物的選擇以及顯示光束強度的控制。該3D顯示系統(tǒng)具有制作簡單、激發(fā)光強度低、圖像對比度高、裸眼識別度高、可能實現多彩顯示等優(yōu)點，為立體3D顯示技術的進一步發(fā)展提供了可能。

陸為課題組高級研究學者萬仕剛為論文第一作者，陸為是該論文唯一通訊作者，南科大2019級博士生周洪齊及2018屆碩士畢業(yè)生（現為柏林自由大學在讀博士生）林進雄參與了該研究。

該研究得到了國家自然科學基金、深圳市科技創(chuàng)新基金、廣東省基礎與應用研究重大項目的支持。