「光」畫筆——用雷射在金屬上作畫

科學與藝術間的距離也許沒有想像中的遙遠!研究者成功開發出在金屬表面上色、擦除顏色的技術,並以此繪製了一幅「畫作」。他們是如何在金屬表面上色的?這背後的原理和五彩斑斕的肥皂泡泡又有何關係?

撰文/劉詠鯤

在《光學》期刊的一篇研究中,研究人員展示如何利用雷射,在金屬上重現藝術家做畫時的流程:繪製線條、疊加顏色與擦除筆跡。最後他們在金屬上重現了梵谷的名作「星空」!(如圖一)

圖一、在3*2吋的金屬表面重現的梵谷名作「星空」。(圖片所有權:Yaroslava Andreeva)

提到在金屬表面上色,最直接的想法便是在上面使用顏料,例如我們在汽車上使用烤漆或是噴漆。這種方式是將一種有顏色的物質,覆蓋在金屬表面。可以快速的上色,但由於漆和金屬是兩種截然不同的物質,因此兩者之間的吸附力較弱,隨著日曬雨淋、撞擊,便容易脫落、「掉漆」;另一種方式,則是透過改變金屬的表面性質。例如在本研究成果中,研究人員發現,透過控制雷射在金屬表面生成氧化層的厚度,便能產生不同的顏色。但,等等,氧化層的厚度與我們看到的顏色有甚麼關係?讓我們先從看到顏色的來源說起。

●顏色的來源

一個東西可以被我們肉眼所看到,是因為有光線從該物體進入到眼睛。而進入的光線波長,則決定了我們看到的顏色。例如樹葉之所以是綠色的,便是因為綠色光被樹葉反射進入了眼睛中。以詩意的角度來說,我們可能會說綠葉之所以是綠色,是因為它飽含了綠色的精華;但從光學的角度來說恰好相反,它吸收了所有的色光,唯獨將綠光反射出來。

如果不考慮反光等光源的變化,從任何角度觀看樹葉,看到的顏色都差不多。但生活中也有些東西,它的顏色五彩繽紛並且會隨著觀看角度不斷改變。最常見的例子便是肥皂泡泡上面流動的繽紛條紋。除了肥皂泡,許多生物身上的顏色也都具有類似的特徵,如蝴蝶翅膀、甲蟲外殼以及某些獨特的果實等等。這種五彩顏色背後的原理,是來自於「薄膜干涉」。

由於光波具有可以相互疊加的特性,當兩道光相遇時,它們會互相影響:波峰(極大值)與波谷(極小值)相遇時,兩個波的震動會剛好抵銷,稱為「相消性干涉」;若波峰與波峰相遇,則強度會加倍,稱為「建設性干涉」[1]。假設在空氣中有一層薄膜,由於組成成分與空氣不同,薄膜內部具有不同的折射率。若一道光以某個角度照射在薄膜上,薄膜的兩個介面都會發生反射並互相干涉。(如圖二)至於這個干涉是建設性還是相消性,和入射光的波長、薄膜的厚度、入射光角度等等都有密切的關係。

圖二、薄膜干涉示意圖。入射光在薄膜的不同介面產生之反射光,會互相干涉。可能會是建設性干涉(a),或是破壞性干涉(b),視光的波長(顏色)、薄膜厚度、入射角度等等因素決定。

 

當我們在太陽下看著泡泡飛舞時,此時的光源:太陽光包含了從紅到紫各種顏色。每一種顏色由於波長不同,在泡泡上具有不同的干涉條件。若是黃與紅光滿足建設性干涉條件,其它顏色滿足相消性干涉,我們就能看到偏橘色的光。但由於干涉的條件和光波長以及薄膜的各種條件有關,我們的視角改變、泡泡薄膜厚度改變…等原因都會改變進入我們眼睛的光線成分比例。這些泡泡上不同位置發生的複雜光線干涉,造就了五彩繽紛的現象!

●在金屬表面作畫

在我們知道「薄膜干涉」也可以決定一個物體的顏色後,在金屬表面作畫便沒有那麼神秘了。研究團隊首先將金屬表面清洗乾淨,再利用雷射將表面加熱到接近蒸發點的溫度,這時金屬會逐漸在表面生長出緻密且非常薄的氧化膜。透過加熱時間的長短,便能控制薄膜的厚度。不同的厚度,使得不同色光具有不同的干涉條件,如此便能產生不同的顏色。透過實驗確定加熱時間與形成的顏色關係後,研究者就獲得了一個由加熱時間控制的「調色盤」以及一隻雷射「畫筆」。這樣還不夠,研究者還發現,在特定的加熱時間下,金屬表面的氧化層可以被移除,回歸到金屬本來的表面情況。這就意味著,我們還擁有了「橡皮擦」!現在可以開始在金屬表面作畫囉!

這種上色方式,由於氧化膜與金屬之間具有非常緊密的連接,因此顏色具有非常高的穩定度以及附著能力,在工業上具有高度實用性;同時由於使用雷射作為畫筆,可以畫出細微的筆觸。也許在未來的某一天,在我們的金屬手機外殼上,使用放大鏡一看,能發現一場微觀版的達文西畫展呢!

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註[1]同理,波谷與波谷相遇時,亦稱為建設性干涉。

 

參考資料:
[1]V. P. Veiko et al., “Laser paintbrush as a tool for modern art”, Optica 8, 5 pp.577-585 (2021)
[2] Researchers use laser paintbrush to create miniature masterpieces

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