西湖大学仇旻团队通过飞秒激光无墨彩打制作的《汉宫春晓图》。资料图片

西湖大学仇旻团队日前在国际期刊《自然·通讯》上以《激光快速直写结构色实现全色彩无油墨打印》为题，解密其最新科研成果。他们用由氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料组成的复合薄膜作为特殊“纸张”，在其表面利用超快激光进行微纳加工，实现飞秒激光无墨彩打，为激光无油墨彩色打印技术的产业化应用提供了新思路。

该项技术的核心在于他们发明了一种新颖的“纸”——厚度约110纳米，仅为头发丝的千分之一。这种“纸”分为三层：研究人员在单晶硅衬底上先后镀50纳米的氮化钛和60纳米的氮化铝钛。第一层，也就是自上而下的最底层，是呈金属性的氮化钛，它作为光的反射层，作用是阻挡光线穿透，并增加亮度。第二层，是高损耗的氮化铝钛电介质，调控对自然光的吸收。第三层，是最顶层的氧化铝，当超快激光作用于氮化铝钛表面时，会额外形成一层以氧化铝为主的透明薄膜，它和氮化铝钛一起调控所吸收的自然光。

由于氮化钛和氮化铝钛的硬度较大，因此它们被称为陶瓷材料，而这层“陶瓷”构成的如羽毛般轻盈的“纸”成为“外衣”，附着在需打印图样的物品之上。激光投在薄膜上，通过控制入射激光的能量或扫描速度，便可同时改变氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度。在厚度改变后，入射的自然光通过三层膜结构之间的复杂干涉效应，形成特定的反射颜色，丰富多彩的颜色就此形成。

利用氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料做成的特殊“纸张”，完全可以实现高速度、高分辨、宽色域、大尺寸、观察角度不敏感、抗老化的全彩色无油墨激光打印。

宽色域。目前，仇旻实验室发明的飞秒激光无墨彩打技术，已实现了接近90%的RGB标准颜色系统，远超当前主流的激光着色技术。与传统激光着色方案相比，前者形成的为单层氧化膜、只有一个可变变量，但他们的激光诱导复合薄膜氧化可同时改变氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度，多了一个自由度，从而获得了更宽的色域。

高速度、高分辨。该技术可同时实现高速度和高分辨的全彩色无油墨打印。在打印速度方面，一张A4纸可以在1分钟内实现全彩色打印。

颜色不随观察角度变化。氮化铝钛的高吸收特性使得其界面处产生可观的额外相位差，抵消了由薄膜厚度差异导致的颜色随观察角度变化。在0°至80°的范围内，无论在哪个角度观测，颜色都不会发生变化。

色彩“历久弥新”。研究人员进行了一系列破坏性实验，在高温高湿环境中测试了老化情况，在盐雾环境中测试了抗腐蚀性，并进行了光漂白、附着力等实验，但飞秒激光无墨彩打的作品仍然“历久弥新”。这是因为氮化铝钛表面形成的致密氧化铝膜起到了很好的防护层作用。经过一系列国家标准的抗老化测试，研究人员进一步证实了激光在氮化铝钛上诱导所形成的颜色色差完全符合工业化应用需求。

（作者单位：西湖大学）