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这个美丽的“废物”竟然让NASA工程师开始捡垃圾...

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中科院物理所 2021-09-25 14:57
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文 鸽灰

光可以用来绘画——只要你掌握从中提取色彩的方法。但用于“提取”的媒介,可不是牛顿分离白光的三棱镜,而是一种更加复杂的材料。它的历史只有短短半个多世纪,与艺术的最初结缘还是发生在垃圾桶里;它就是双色玻璃(dichroic glass,中文商品名作“炫彩玻璃”)。它特殊的表面允许部分波长的光线透射,而反射另一部分,故而在正反呈现出不同的颜色;而它本身几乎不吸收光线,也即“无色透明”。

What isn't Is, Stephen Knapp. 图片来自lightpaintings.com

这就是斯蒂芬·克纳普(Stephen Knapp)利用双色玻璃创作的“光绘”(Light-painting)。乍看之下,似乎用寻常的彩色玻璃也能实现;但仔细观察,作品中仅有一盏聚拢的白光灯,只有靠进一步反射才能顾全所有角度的玻璃——问题出现了:假使作品中的玻璃都是普通的彩色玻璃,那么透过黄光的必然是黄色玻璃,而其所反射的黄光无论经过什么颜色的玻璃也不可能透射出如此的蓝色。这是只有双色玻璃才能完成的“画作”。

Chris Wood作品细节,图片来自Google

如果克纳普的作品还不足以充分展现这种材料的神奇,克莉丝·伍德(Chris Wood)的双色玻璃雕塑一定能引起你的好奇心。比起克纳普作品中的光如颜料肆意挥洒、又像锋利长剑刺穿画框,伍德精心编排的光线轻快淡雅、富有几何韵律

Gloaming, Chris Wood. 图片来自chriswoodlight.art

另一光照和拍摄角度下的Gloaming,图片来自chriswoodlight.art

伍德作品的美丽不仅在于照片所捕捉的一瞬,更在于其曼妙的变化。随 着日光的角度变低,透射光所成的影子的角度、长度也随之变化——这并不稀奇;稀奇的是,影子的颜色也变了。与长度和角度的改变一道,原本不相干的影子彼此重叠,混合出了更多的颜色……

同一作品在不同的光线下,图片来自chriswoodlight.art

双色玻璃的神奇性质究竟从何而来?

不知你是否还记得15年那道引发网友热议的高考作文题——“扫描式电子显微镜下的蝴蝶翅膀是无色的”。暂且不论扫描式电镜究竟照得到什么颜色 (扫描式电镜得到的是对应于电子数目的灰度图像) ,蓝色闪蝶的翅膀从某种角度来说确实是“无色”的——它并不含有蓝色色素。

蓝色色素依靠吸收蓝色光之外的可见光来呈现蓝色,没有色素的蝶翼则凭借纳米尺度的鳞片结构殊途同归。区别于“色素色”,这样的颜色被称为“结构色”,你还可以在孔雀尾羽和绿头苍蝇上找到它。

蓝闪蝶翅膀微观结构,图片来自ResearchGate

显然,双色玻璃的色彩是一种“类结构色”。相较于普通的彩色玻璃,它不仅正反两面色彩不同,在不同观察角度下还会发生色彩变化;这种超越色素的能力来自于其表面的光学薄膜。这些膜的厚度在纳米级别,与光的波长相近,故而使光发生干涉。

什么是干涉?其实就是简单粗暴的字面意义上的“干涉”。很容易在水波中观察到它:雨滴落地的涟漪、海浪的追逐等等。在理想条件下,两列波相遇,振动可以线性相加;波峰与波峰相遇,使振幅更大,这时候便发生相长干涉,反之振幅减小,则发生相消干涉。如果两列波满足相干条件——频率相同相位差固定,就能发生稳定的干涉。作为电磁波的光自然也可以发生干涉。

稳定的相长干涉(左),稳定的相消干涉(右),图片来自Shutterstock

薄膜如何使光发生干涉?如光路图所示,入射光1的一部分在界面M1发生反射(反射光2),另一部分透过M1、经M2反射又透过M1射出(透射光3)。反射光2与透射光3来自同一个光源,满足相干条件;然而,两束光线走过的光程却是不一样的,其差距取决于薄膜的折射率膜层的厚度e以及光线的入射角度i光程差波长共同决定了相位差,也就决定了干涉的强度。

如果发生相消干涉反射将大大削弱,根据能量守恒,透射(光4)被增强,这样的薄膜便可用作“增透膜”,常见于摄像机镜头和眼镜;如果发生相长干涉反射将大大增强,而透射(光4)则被削弱,这样的薄膜便可用作“增反膜”,在航天装备和激光器反射镜中有所应用。

双光束薄膜干涉光路图,图片来自知乎

而光学薄膜可以不止一层——也就是说,通过巧妙地设计膜系,将不同折射率的材料按特定的厚度层层累积,便可以实现对光谱的调控;这正是薄膜光学的研究主题。从膜系统整体来分析,双色玻璃便是依靠表面的膜系结构,从而使某一波长范围的光通过时发生相长干涉——以极高的比例被膜系反射,同时使另一波长范围的光通过时发生相消干涉——以极高的比例被膜系透射;于是在镀膜一面呈现出其高反波段的颜色另一面呈现出高透波段的颜色。同时,又因为入射角度会影响干涉,故而从不同的角度看去,其反射和透射的色彩又会发生变化。

尝试据此推断:以正视镀膜面为始,旋转双色玻璃,你看到的色彩将沿光谱的什么方向变化?

光学薄膜虽然已有两百多年的历史,但它的快速发展仅仅始于上个世纪——光学薄膜制备技术与计算机辅助设计较为成熟的时候。 光学薄膜的制备涉及薄膜物理学; 最常用的技术——也是双色玻璃所采用的技术——是真空热蒸发: 在真空条件下加热薄膜材料,使其分子或原子以直线形式向四周蒸发,进而在被镀零件表面沉积成均匀薄膜。 可见,双色玻璃的光学薄膜无论设计还是制造都颇为不易,无怪乎NASA称双色玻璃艺术品为“high tech art”

1950至1960年间,为了防止辐射损害航天器和宇航员的视力,NASA研制出了双色玻璃。它偶然性地成为艺术家手中的材料,是因为受到一位具有艺术天分的工程师的“赏识”;那时,默瑞·施瓦茨(Murray Schwartz)正在加州为NASA的供应商做光学仪器的设计工作。

“我在60年代做光学工程师的时候,目睹了大量不符合NASA规格的双色玻璃被真空沉积工业所报废。因为发现这些玻璃太美妙了——太漂亮了,我就从垃圾箱里找回了那些没有破损、没有划痕的玻璃。这种收集工作持续了一段时间。然后我做了你会做的事:辞去了公司的工作,买了一辆面包车,开始将碎片组装成窗户动态雕塑(mobiles)雕塑和珠宝。”

Murray的工作室Kroma售卖的双色玻璃首饰,图片来自Etsy

默瑞“捡垃圾”做艺术品的行为被另一位工程师杰里·桑德伯格(Jerry Sanderberg)注意到了。其时,杰里正工作于加州新港滩的通用汽车真空镀膜实验室。他与默瑞一样,很快意识到双色玻璃的艺术价值。

八十年代至九十年代中期,杰里持续地向艺术玻璃市场供应双色玻璃涂层;这些涂层不再服务于高精度的航空事业,仅仅为焕发美丽而多变的色彩。96年,杰里与妻子成立了CBS(Coating By Sandberg)公司,使命是“以合理的价格向艺术玻璃市场提供可靠、一致、统一和耐用的双色玻璃涂层”。直到现在,CBS依然是许多双色玻璃艺术家的指定供应商

杰里与妻子站在他们的第一个双色涂料室前,图片来自I make the glass

如今,制造精良的二向色镜光学领域扮演着重要角色,品类繁多的彩玻璃则在艺术和建筑领域大放异彩,旧时的“High Tech Art”已经飞入寻常百姓家。这使人不禁想起伍德如何解释她对光的痴迷:光无处不在,以至于人们在习以为常中忽视和遗忘了它;所以当艺术品将光陌生化、重新揭示其存在时,人们十分惊奇、感动不已。

也许今日的人们对“炫彩”、“镭射”见得太多,以至于无动于衷了;但它们却曾是一位工程师从垃圾箱中珍惜地搜寻玻璃的理由。就像伍德的作品使人们再一次注意到光,双色玻璃的艺术也会使人们再一次想起那些看似寻常的不寻常

Triangular 1978 (left) & 1997 (right), Ray Howlett. 图片来自rayhowlett.com

Reference:

范正修.光学薄膜及其进展[J].光学学报,2011,31(09):276-280.

王敏,王青,朱日宏,马骏,陈帆,张建云,刘戴明.光谱合束二向色镜反射率及合束效率仿真研究[J].激光技术,2019,43(03):421-426.

王青. 短波通滤光片的研究[D].哈尔滨工程大学,2006.

High tech art: Chameleon glass. (2002). Star, 40

Kerkvliet, B. (1997). The mysteries of dichroic glass. Glass Art, 12(2), 18-22.

https://lightpaintings.com

https://chriswoodlight.art

https://imaketheglass.wordpress.com/tag/murray-schwartz/

https://www.etsy.com/shop/KromaStudio

https:// rayhowlett.com

原标题:NASA工程师对垃圾箱说:拿来吧你

来源:科学艺术研究中心

编辑:蕉

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