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2025

全彩动态3D显示：激光绘“云”的神奇效应

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传统的显示技术，无论是手机、电视还是LED大屏，呈现的均为二维图像。即便3D电影、增强现实、虚拟现实等技术能够营造立体错觉，其同样依赖于平面载体；而全息技术虽然可以在空间中重建3D图像，却难以实现动态图像展示。相较之下，基于光散射点的显示技术能够让3D图像如科幻场景般呈现于现实空间，可触可及且能随需刷新。

然而，早期的研究各有局限：雾幕显示利用空气中的微小液滴作为投影介质，却存在分辨率低、易受气流干扰的问题；声波悬浮显示通过声波陷阱固定微粒，再以光线照射形成图像，却难以构建复杂三维结构；气泡显示技术虽能生成立体形状，但因气泡消散缓慢，无法实现快速刷新。这些技术的共同瓶颈在于，难以同时满足3D图像构建、彩色显示和快速刷新三大核心需求。

在探寻突破的过程中，日本宇都宫大学的研究团队从“云”中获得灵感，提出的技术可以同时满足上述三大需求；由微小液滴组成的云团具有自由塑形能力，可被光线晕染成任意颜色，且能自然消散，能够作为3D显示的理想体素。基于此，研究团队提出了一种基于激光诱导冷凝技术的3D云显示方案，可在现实空间中呈现彩色、动态的立体图像。相关研究以“Volumetric cloud display”为题发表于Optica。

3D云显示的关键在于，精准控制云的生成、形状与颜色。图1展示了实验装置，飞秒激光器的中心波长为800 nm，重复频率1 kHz，脉冲持续时间34 fs，最大脉冲能量1 mJ。激光焦点位置可通过XY方向的扫描振镜（GM）和Z方向的变焦镜头（VFL）快速调节，调控范围达62×62×59 mm³。组合的RGB激光器（红光640 nm、绿光520 nm、蓝光450 nm）与飞秒激光同轴入射，每种光的强度均可独立调控。通过同步控制飞秒激光焦点位置与RGB激光的波长和强度，即可任意改变云团的位置与颜色，实现3D图像的快速构建和彩色显示。

图1（c）为研究团队特制的云室，其顶部放置浸满无水乙醇的海绵，底部通过半导体制冷片冷却至-51℃，与约20℃的室温形成强烈温度梯度。温度差异使挥发的乙醇蒸气在底部冷却，形成厚度约10mm的“过饱和蒸气”——一种随时可能凝结成液滴的不稳定状态。研究团队将飞秒激光聚焦到含过饱和蒸气的云室中，产生云凝结核，吸引乙醇分子并聚集形成微小液滴，构成肉眼可见的局部云团，如图2所示。

更巧妙的是云团的“生命周期”。由于乙醇液滴组成的云团并不持久，在温度梯度和气流作用下，云雾会逐渐消散。这种自然消散特性，恰好解决了3D显示“快速刷新”的核心需求。当旧云团消失后，新的激光脉冲可在任意位置生成新云团，无需任何清除机制。得益于装置的快速扫描能力，结合人眼的视觉暂留效应，研究团队实现了动态彩色图像的连续呈现，如图3所示。根据云团的消散速率估计，显示刷新率约为 0.76 Hz。

基于激光诱导冷凝技术，研究团队以激光为笔，云雾为墨，在现实空间中绘制了全彩、动态的3D图像。尽管受限于过饱和区域大小与激光重复频率，该技术的显示区域和体素数目均有限制，但未来可通过优化云室内气流、缩小云团体素等方式突破瓶颈。该技术突破了传统显示技术局限于平面的限制，解决了3D显示中图像构建、彩色显示和快速刷新等核心问题，有望真正打破显示边界，在真实空间中自由绘制3D图像。