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近日，南方科技大學(xué)化學(xué)系副教授陸為課題組在光活化磷光方法應(yīng)用于立體三維（3D）顯示的研究中取得進(jìn)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(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上發(fā)表。

立體三維顯示技術(shù)在醫(yī)療成像、軍事和建筑成像等方面有巨大的應(yīng)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(shù)即為立體3D顯示技術(shù)。在現(xiàn)實世界中，雖然人類的技術(shù)還無法實現(xiàn)電影中的酷炫效果，但相關(guān)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(shù)采用的主要原理是利用分散在空氣或溶液中的介質(zhì)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(xué)技術(shù)或光化學(xué)技術(shù)是一種比較有前景的可應(yīng)用于立體3D顯示的光學(xué)技術(shù)。在以往研究中，具有代表性的光化學(xué)技術(shù)有雙光束控制的稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光3D顯示技術(shù)、雙光束控制的可逆熒光活化的數(shù)字光處理（DLP）3D顯示技術(shù)等。然而兩種技術(shù)均存在一定局限性，稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光技術(shù)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(shù)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(xué)立體3D顯示技術(shù)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(xiàn)了光化學(xué)除氧溶液（二甲亞砜DMSO就是一種典型的光化學(xué)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(xiàn)象（相關(guān)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(chǔ)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(jù)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(chǎn)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(yīng)，生成二甲基砜，從而消耗了溶液中的氧氣，進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jù)設(shè)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(shè)置為綠色（510 nm），背景設(shè)置為黑色，開啟除氧光束（光束厚度較?。?，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(yīng)的紅色圖案；（2）對于具有立體結(jié)構(gòu)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(shè)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(xì)介紹了磷光化合物的選擇標(biāo)準(zhǔn)和兩束激發(fā)光波長和強度的選擇依據(jù)：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(yīng)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(guān)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(xiàn)多彩顯示等優(yōu)點，為立體3D顯示技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了可能。

陸為課題組高級研究學(xué)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(xiàn)為柏林自由大學(xué)在讀博士生）林進(jìn)雄參與了該研究。

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