滤光片没换，只转了90°：原本能透过的光，为什么突然被挡住？

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同一组纳米结构，为什么能让透射峰变成透射谷？

一束白光穿过一组光学元件，绿色附近的光顺利通过，两侧其他波长的光受到抑制。这是带通滤光片的日常工作，没什么稀奇。稀奇的是下一步：器件不换，材料不动，只把光路末端的一片偏振片转过90°，结果就反了过来。绿色附近的光被压了下去，两侧更多波长的光反倒透了出来。光谱曲线上原本凸起的那座峰，在同一个位置变成了一道谷。

这不是思想实验。2026年10月，捷克布尔诺理工大学与捷克科学院科学仪器研究所的研究人员在《Advanced Photonics Research》上发表论文，用一组二氧化钛纳米结构实现了这种切换。中间那片结构自始至终没有动过，它是怎么做到的？

峰和谷，本来是两种滤光片的事

带通滤光片让目标波段通过、抑制其他波段，光谱上是一座透射峰。带阻滤光片，也称陷波滤光片，则在目标波段形成一道透射谷，让两侧更多波长的光通过。

我们熟悉的滤光片，无论依靠材料吸收还是多层薄膜干涉，光谱特性在制造完成后通常就基本确定。将某些干涉滤光片倾斜一点，可能改变中心波长，却不能仅靠这个动作直接把同一透射峰变成对应的透射谷。传统设计中，想要峰与谷，通常需要选择不同的器件或另外引入可调结构。

藏在纳米柱里的“半波片”

这项研究的主角，是立在熔融石英基底上的一排排二氧化钛（TiO₂）纳米柱。它们高度约600纳米，横截面不是圆形，而是一长一短的长条形，阵列的排列周期小于相关可见光波长。这种利用亚波长结构阵列调控光的薄层，叫作超表面。

要理解它，得先说偏振。光是横波，电场在垂直于传播方向的平面内振动；对于线偏振光，电场沿着确定的方向振动。长条形纳米柱对沿长轴和沿短轴方向的电场响应不同，两个偏振分量通过后会积累不同的相位。这种方向相关的光学响应体现了双折射，两个分量之间的相位差叫作相位延迟。

如果相位差恰好达到π，也就是半个光学周期，纳米结构便能表现出类似半波片的作用。当入射线偏振方向与纳米柱主轴成45°时，电场可分解为沿两条主轴的分量；在理想条件下，两者重新合成后，线偏振方向正好转过90°。转动的是电场的振动方向，光的传播方向并没有因此改变。

关键在于，相位延迟随波长而变。某一组尺寸的纳米柱，可以针对选定波长附近实现接近半波的相位差。偏离这个波长时，结构不再恰好满足相同的转换条件，因此不同颜色的光会获得不同程度的偏振变化。颜色的差别，就这样被转译成了偏振状态的差别。

最后一片偏振片，只负责挑

整个装置像一个三明治：前面一片线偏振片（起偏器），中间是超表面，后面再放一片线偏振片（检偏器）。

先让两片偏振片的透光方向互相垂直。如果中间什么都没有，理想情况下光几乎过不去。有了超表面，目标波长的偏振被旋转约90°，恰好对上检偏器的方向，于是得以通过；其他波长没有达到同样的偏振转换程度，受到更强的抑制。光谱上出现一座峰，这就是带通模式。

再把检偏器转90°，让两片偏振片平行。这回轮到目标波长吃亏：它被旋转后的偏振方向正好与检偏器垂直，因此受到抑制；没有发生同样偏振转换的其他波长，则有更多光可以通过。峰变成了谷，这就是带阻模式。

在材料吸收、散射等损耗很小，且偏振选择足够理想的近似条件下，两种配置的光谱可以接近互补。检偏器既没有改变纳米柱，也没有改变光的波长，它只是改选了允许通过的偏振分量。

论文做到了哪一步

这不只是一套计算。研究团队采用电子束光刻和原子层沉积等工艺，制作出宽70至110纳米、长150至450纳米的一系列纳米柱阵列。测量时，以宽光谱卤素灯产生的准直光照明，让样品夹在两片线偏振片之间；后方检偏器装在电动旋转台上，透射光经过显微物镜收集，再进入光谱测量装置。

研究人员在两种偏振配置下测到了预期的互补光谱，由光谱换算出的颜色也与模拟结果大体吻合。面向蓝光设计的阵列，最小排列周期达到250纳米，仍呈现较高的色彩饱和度。注意，这里的250纳米指的是纳米柱阵列周期，不是纳米柱的宽度，也不能直接等同于已经做成了250纳米的商用相机像素。

结果也并不完美。部分样品的颜色比模拟结果偏淡，研究人员将其归因于划痕、附着微粒等制造缺陷引起的退偏振和光泄漏；要在更长的可见光波长获得更饱和的颜色，可能还需要更高的纳米柱。

还有一点容易混淆：理想无损半波片对目标波长的偏振转换效率可以达到100%，但这是理想极限，谈的是已经通过起偏器的偏振光。若输入的是自然光，第一片理想线偏振片就会先损失约一半的入射光功率。因此，偏振转换效率与整套器件对自然光的总透过率，并不是同一个指标。

为什么盯着这么小的尺寸

图像传感器和近眼显示系统追求更小的像素尺寸，传统染料型滤色片在亚微米尺度可能面临透光效率与颜色保真度的挑战，这也是研究人员探索超表面的原因之一。二氧化钛在这项研究所涉及的可见光波段具有较低吸收，相比金属纳米结构，也可以避开典型的欧姆损耗。

作者还提出，同一纳米结构能够提供两种互补的光谱响应，未来可能为图像传感器推断颜色提供更多信息。只要材料和偏振器条件允许，这种原理在概念上也并不限于可见光。

不过，眼前的结果仍属于研究性器件的实验验证，不是现成的商业产品。偏振片造成的光损失怎么办，偏振器怎样与像素集成，斜入射时性能如何，大面积制造能否保持一致，都需要进一步研究。正式论文的实验光谱采用正入射测量，并未系统开展角度依赖测试。现有的带通和陷波滤光片，也不会因此退场。

同一束光的两种读法

回到那片被转了90°的偏振片。它转动时，没有改变光本身的波长，也没有碰过纳米柱。真正的工作早在超表面那里就完成了：不同波长获得了不同的偏振响应，检偏器则决定读出哪一部分。

我们习惯问一片滤光片“让哪些波长通过”。这个器件把问题拆成了两步：先让波长影响偏振，再让偏振决定去留。做光学工程的人对此不会陌生，波长、入射角和偏振，本来就需要放在一起考虑。

峰和谷，原来是同一束光的两种读法。

本文为公开科研成果的光学原理科普解读。文中实验器件与未来应用展望均不代表激埃特光电的现有产品规格或量产能力。配图为依据研究原理重新绘制的科普示意图，非实验原始图像或实测光谱。