<dfn id="tvnzd"><video id="tvnzd"><nobr id="tvnzd"></nobr></video></dfn>

    <dfn id="tvnzd"></dfn>
    

        <meter id="tvnzd"></meter>

        <ol id="tvnzd"><noframes id="tvnzd"><font id="tvnzd"></font>

        • 歡迎訪問中國光電光電子行業網! 主辦單位:中國光學光電子行業協會
        微納光學超表面應用于全息圖像
        發布時間:2023-05-11    來源:鄭國興,武漢大學   閱讀次數:12989 分享到:

        2021年,中國信通院發布《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》,提到未來 6G八大業務和十大關鍵技術。其中,“全息通信”勾勒出真人與實時全息影像之間的交流互動,引發廣泛關注。

        近年來,隨著應用層次的不斷深入,業界對全息術的要求愈加苛刻。比如全息光存儲、顯示、渦旋矢量光束等,都期望在同一全息片上記錄盡可能多的信息。僅通過浮雕深度來控制相位,進而實現全息記錄的傳統二元光學計算全息術,提供的全息信息通道單一,無法滿足技術市場對大容量全息技術的需求。因此,二元光學計算全息術的深層次應用遇到了很大的技術障礙,可以預料在未來很難有大的突破,亟待新概念、新原理和新技術的創新和革命。

        超材料 (metamaterial) 的概念并不陌生。2010年被 Science 評為過去十年人類最重大的十大科技突破之一,并于2016年再次上榜 Science 年度十大科技突破 ( 平面超透鏡研究 )。超材料是一種三維周期狀的人造材料,在與電磁波的相互作用過程中表現出諸多不同尋常的性能,如負折射、電磁隱形、異常透射等。三維結構的電磁結構材料功能非常強大,幾乎可以實現對電磁波的任意調控。

        但事實上,三維超材料目前僅在微波波段有實質性進展和應用,在光波波段的應用目前還非常有限。這是因為超材料的特征單元尺寸是在亞波長量級:對于微波來說加工并不算難題 ( 厘米或毫米量級 );但對于光波來說 ( 納米量級 ),加工三維微納結構的問題仍舊突出。所以很多年來,學術界在三維光波超材料的理論計算和仿真方面的工作較多,而實際加工和應用卻非常少。

        科學家開始把目光轉向二維超材料,即超表面 (metasurface)。由于少了深度方面的周期性特征,超表面在加工上的難度大大降低,并且與現有的二元光學工藝完全兼容。2011年,哈佛大學 Capasso 課題組在 Science 上發表了超表面調控相位的經典論文——Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction。該文不僅解釋了微納結構的相位突變機理,而且給出了一種 V 型光學微納結構超表面的設計案例和實驗驗證,可被視作超表面應用的開端。接下來的幾年里,科學家圍繞超表面實現光波的四大參量:振幅、相位、偏振和頻率的精細化調節問題開展了廣泛的討論(這里的“精細化”是指:每個調控單元大小僅有波長量級),在物理機理、功能發掘和應用拓展等方面均取得了較大的進展。

        總的來說,微納光學超表面顛覆了人們對光波電磁場操控方法的傳統認知,其在具備連續、任意、精密、高效的光參量操控等優點的同時,在制造上卻僅需要簡單的二臺階微納光學工藝條件,因此極具商業應用前景。

        早期基于超表面的計算全息主要是驗證物理概念,信噪比不高,且衍射效率普遍偏低(低于10%)。與傳統二元衍射光學元件普遍優于80%的效率相比,相距甚遠。2015年,一種基于“三明治”結構的超表面全息實測衍射效率達到80%, 帶寬高達400 nm[1]。為此,Nature Nanotechnology 在《新聞與視點》欄目發表了評論,使用的標題為“全息:超表面使之實用化”。

        之后的幾年時間里,超表面全息術得到飛速發展,在彩色、多通道、多功能集成、動態顯示以及尋求可行應用等方面進行了有益的探討,相關研究成果引發廣泛關注。受篇幅限制,這里簡單列舉一些超表面獨有的全息術及其應用。

        01多通道全息術

        傳統全息術通常只能操控單一的光參量(振幅或相位),且對偏振不敏感,因此一般僅能實現單通道全息圖像的顯示。雖然理論上利用算法可以呈現多幅全息圖效果,但在本質上是一種“零和游戲”:分配到每個通道的自由度加起來總數沒變,增強某個通道的全息效果必然意味著其他通道全息效果的減弱。

        與之對比的是,超表面具有多維度、多參量操控特性,因此可呈現多通道、且彼此獨立的全息顯示這一獨有特性。最簡單的多通道全息是利用兩個正交偏振態入射光的獨立相位調控實現,比如:在超表面上獨立編碼兩組分別對左旋光和右旋光起作用的全息相位,即可用一個全息片獨立呈現兩組全息圖[2](圖1a)。也可以通過設計每個納米結構在兩個正交方向的尺寸,實現兩個正交線偏振方向獨立的全息顯示(圖1b)。偏振復用帶來的設計自由度是個有趣的話題,比如北理工黃玲玲課題組利用多種偏振組合實現了最多6種獨立顯示的全息圖(圖1c)。

        圖1 多通道微納光學超表面全息術。(a)基于左右旋復用的全息術;(b)基于正交線偏振光復用的全息術;(c)多偏振組合實現多種獨立全息圖像顯示

        02多功能全息術

        超表面結構蘊含豐富的自由度,能夠同時獨立操控多個光波基本參量(如振幅、相位、偏振態等),每一種光參量操控可對應一種功能,即可實現多功能超表面全息術。相較于通道信息豐富但功能單一多通道全息術,多功能全息術能夠更充分地挖掘超表面的自由度,且適用性更廣泛。例如:韓國RHO課題組將超表面的光譜操控與相位操控結合,實現了獨立的結構色顯示與全息顯示[3](圖2a)。

        武漢大學鄭國興課題組利用馬呂斯定律的轉角簡并性,實現了光波的任意振幅調控與最高四臺階的相位獨立調控,從而實現了高分辨率灰度圖與全息圖的獨立顯示(圖2b)。與上述方案不同,復振幅型超表面能夠實現無臺階數限制的多光參量操控。例如通過優化具有不同效率的波片結構,出射光交叉偏振分量的振幅和相位能夠被連續操控,該方案同樣能夠有效拓展全息術的功能性(圖2c)。

        圖2 多功能微納光學超表面全息術。(a)基于獨立光譜操控與相位調控的多功能全息術;(b)基于轉角簡并性的多功能全息術;(c)基于復振幅操控的多功能全息術

        03動態全息顯示

        上述全息工作屬于靜態全息,雖然有效擴充了傳統全息術的信息容量與功能性,但一旦完成加工過程,功能便相應被固定,該缺陷極大限制了超表面全息術的實際應用。哈工大肖淑敏課題組將超表面與空間光調制器 (SLM) 相結合 [4],充分利用 SLM 的自由度,實現了可重構的全息圖像顯示(圖3a)。武漢大學李仲陽課題組基于水凝膠材料構建了動態超表面,在不同的濕度下可以顯示不同的全息圖像,有效增加了全息顯示的信息量(圖3b)。

        得益于其高精準度與低成本,電控是動態調控方案中關注度較高的一種。斯圖加特大學劉娜課題組將電控方案與偏振操控結合,實現了兩幅全息圖案的開關切換(圖3c)。

        圖3 典型的動態全息術工作。(a)將 SLM 與超表面結合實現可重構全息圖;(b)水凝膠材料實現可切換全息圖案;(c)電控方案實現動態全息顯示

        04超表面全息術應用研究

        如今超表面全息術已經發展為一種魯棒性高、顯示分辨率高、適用性廣、功能強大的圖像顯示方案,從而被研究者應用于許多領域。例如:澳門大學劉宏超和武漢大學鄭國興課題組將其應用于信息加密,超表面全息圖案既可以作為加密過程中前端的密文[5](圖4a),也可以作為真實信息的載體(圖4b)。韓國RHO課題組在設計中結合液晶材料設計了動態可調的超表面,并將全息圖案的切換作為有害氣體的檢測手段(圖4c)。增強現實 (Augmented Reality,AR) 將虛擬信息應用到真實世界中,兩種信息互為補充,能夠實現對真實世界的“增強”,將預設信息與真實信息融合,還可實現基于超表面全息顯示的 AR 技術(圖4d)。

        圖4 超表面全息術應用。(a)將超表面全息術作為密文實現加密;(b)基于超表面全息術再現加密信息;(c)基于超表面全息術的氣體探測;(d)基于超表面全息術的AR顯示

        05總結

        總之,基于微納光學超表面的計算全息術,在充分利用超表面的精密光參量調制特性的同時,還能利用其多維度電磁響應特性,實現概念全新、高效、動態、超緊湊、多維度的新型計算全息器件。

        此外,無論采用干板印刷還是二元光學技術,傳統全息元件的制備都需要復雜高昂的工藝手段,而超表面全息器件僅需在透明平面基片上做一次簡單的套刻或電子束工藝,即可實現高效精密的光波調控功能和人工可控的電磁響應。因此不僅免除了多次套刻帶來的工藝誤差,還可提升器件的可靠性和穩定性,代表著未來計算全息器件的一種重要發展方向。更深一層次的,超表面的結構特征尺寸低至納米量級,周期特征尺寸則低至亞波長量級。

        因此,超表面全息術實現的是一種芯片級的全息信息光學器件,這在未來全息應用領域將極大縮小全息系統的體積、重量和功耗,代表著未來全息技術的發展方向,有望在智能手機、智能體感設備等人機交互領域發揮關鍵作用。

        作者簡介

        鄭國興,武漢大學教授,主要從事光學超表面及新型微納光學器件研究。

        參考文獻:

        1.G.Zheng,H.Mühlenbernd,M.Kenney,et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency [J] Nat. Nanotechnol.2015,10(4):308-312

        2. D.Wen,F.Yue,G.Li,et al . Hel i c i t y multiplexed broadband metasurface holograms [J] Nat.Commun.2015,6(8241):1-7

        3.G.Yoon,D.Lee,K.Nam,et al . “Crypto-display” in dual-mode metasurfaces by simultaneous control of phase and spectral responses [J]. ACS nano, 2018, 12(7):6421-6428

        4.G.Qu,W.Yang,Q.Song,et al .Reprogrammable meta-hologram for optical encryption [J]. Nature Commun. 2020,11(1):1-5

        5.P. Zheng,J.Li,Z. Li,et al.Compressive imaging encryption with secret sharing metasurfaces[J].Adv.Opt.Mater.2022,10(15):2200257

        免責聲明:來源標記為網絡的文章其原創性及文中陳述文字和內容未經協會證實,對本文以及其中全部或者部分內容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾請讀者僅作參考并請自行核實相關內容。

        超透鏡方面的最新進展匯總

        超透鏡被視為傳統光學領域的顛覆性技術,是光學最前沿之一,近期協會又匯總了超透鏡??方面的最新進展,一起看看。....

        03-26

        圖解衍射光學元件(DOE)75年的發展

        下面的路線圖描繪了從 1948 年到 2023 年衍射光學元件75 年的發展歷程,強調了關鍵的理論和技術突破,同時引用了這次非凡探險中的重要工作。....

        02-26
        中國光學光電子行業協會版權所有@2024
        010-84321456/1457
        coema@coema.org.cn
        北京市朝陽區酒仙橋路四號中國電科十一所園區
        欧美另类 自拍 亚洲 图区_强奷新婚少妇系列小说_特种兵的又粗又大好爽h_亲胸揉胸膜下的刺激视频

          <dfn id="tvnzd"><video id="tvnzd"><nobr id="tvnzd"></nobr></video></dfn>

          <dfn id="tvnzd"></dfn>
          

              <meter id="tvnzd"></meter>

              <ol id="tvnzd"><noframes id="tvnzd"><font id="tvnzd"></font>