三维（3D）立体显示技术在医疗、军事和建筑成像等方面有潜在的应用。实现三维立体显示的挑战在于怎样在真实三维空间定义以及通过光学技术操控体素点，光散射、光吸收和光发射是构建体素不可或缺的手段。通过光泳或声阱控制分散在空气中的微粒或微气泡，可以在三维空间定义体素点，借助于快速激光扫描，从而实现体三维显示。分子光谱学或光化学是另一种可应用于体三维显示的光学技术，如双光束控制的稀土离子上转换发光和可逆荧光活化。2017，Lippert等设计了一种基于可逆荧光活化的体三维显示模型，体素由两束光的交点定义。在该显示模型中，由于荧光的Stokes位移较小，需要借助滤光片才能观察到清晰的图像，而且，所使用的溶剂（CH2Cl2）并不参与可逆荧光活化过程。
光活化磷光发射（photo-activated phosphorescence, PAP）是南方科技大学化学系陆为（点击查看介绍）课题组在2017年命名的一种特别的光化学和光物理现象（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 1784），之前已经被该课题组应用于空气氛下的三重态湮灭光子上转换（Chem. Commun., 2018, 54, 3907）和高分子凝胶表面可擦除式二维图案化（Chem. Commun., 2019, 55, 4299）。
最近，陆为课题组设计并实现了一种基于光活化磷光发射的双光束控制溶液中的体三维显示模型（PAP-3D display），其基本原理如下（图1）。对于选定的两种磷光化合物（光敏剂和发射子）二甲基亚砜（DMSO）溶液，在针对光敏剂吸收波长光束的作用下，光敏剂吸收光能产生三重激发态，溶液中的氧气吸收光敏剂三重激发态的能量形成激发态氧（1O2），激发态氧与DMSO反应，生成二甲基砜，从而消耗了溶液中的氧气，进而在光束通过的地方形成一片无氧微环境（相当于一个虚拟的屏幕），在另一束相对较弱的针对发射子吸收波长光束作用下，在两束光交汇的地方，发射子的磷光被激活，从而在立体空间形成体素点。
图1. 基于光活化磷光发射的体三维显示原理
根据显示原理，接下来的重点是确定两种磷光化合物作为光敏剂和发射子，理想的光敏剂和发射子组合必须满足以下条件：（1）两种磷光化合物有较长的三重态寿命且在空气饱和DMSO中磷光能够被激活；（2）它们的吸收必须正交以使各自能够被光束独立操控；（3）光敏剂在可见光区不发光或发光在近红外区；（4）发射子在可见光区有较强的磷光发射且不会与光敏剂的吸收光谱重叠。根据以上条件，经过精心筛选，研究人员最终确定了Pt(TPBP)（光敏剂）/Pt(OEP)（发射子）组合（图2）。
图2. 本研究中所涉及的磷光化合物以及它们在DMSO溶液中的吸收和发射光谱
图3. PAP-3D显示系统的光谱表征
是否可以通过光束操控体素点，决定了PAP-3D显示系统能否实际运行，研究人员通过光谱表征技术，验证了PAP-3D显示系统的可行性。图3A所示，把除氧光束（635 nm）控制在强度较高的光功率密度下（732 mW cm-2），可以实现对光束通过区域快速的除氧。同时，在较低的光功率密度下（23 mW cm-2），较长时间内（600 s），Pt(OEP)的磷光都不会被激活。因此，通过控制两束光的强度，可以达到在空间定义体素点的目的。光谱表征技术进一步证明，只有在两束光同时作用下，Pt(OEP)的磷光才能被活化，即才能确定一个体素点（图3B）。
在此基础上，研究人员搭建了一个PAP-3D显示装置，该装置包含浓度在10-5 M量级的Pt(TPBP)和Pt(OEP)的DMSO溶液及用于盛放溶液的立方石英槽，一个针对光敏剂吸收波长的可以发射出线型光束的激光器，一台DLP投影仪（用于激发发射子）。利用此装置，研究人员制作了一系列3D图像和动画。3D显示的基本操作如下：（1）对于普通的文字或图形，首先在PPT中制作好需要的文字或图案，其颜色设置为绿色（510 nm），背景设置为黑色，开启除氧光束（光束厚度较薄），把PPT中的图案投影到除氧光束所在位置，即可在三维空间观察到相应的红色图案；（2）对于具有立体结构的图案，过程与（1）所述相同，只是需要把除氧光束的厚度加厚。以圆筒为例，在PPT中设置的圆形光束穿过除氧区域，即可在三维空间观察到一个立体的红色圆筒（图4）。
图4. PAP-3D显示装置及显示效果图
该研究工作发展了长寿命磷光化合物的应用，其关键点在于磷光化合物的选择以及显示光束强度的控制。PAP-3D显示系统具有制作简单、激发光强度低、图像对比度高、裸眼识别度高、可能实现多彩显示等优点。
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，论文作者依次为：Shigang Wan（万仕刚），Hongqi Zhou（周洪齐），Jinxiong Lin（林进雄），Wei Lu（陆为）。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
A Prototype of a Volumetric Three‐Dimensional Display Based on Programmable Photo‐Activated Phosphorescence
Shigang Wan, Hongqi Zhou, Jinxiong Lin, Wei Lu
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202003160
导师介绍
陆为
https://www.x-mol.com/university/faculty/49671
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