撰稿 | 郭旭岳（西北工業(yè)大學(xué)，博士生）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

超表面是一種由特征尺寸在亞波長(zhǎng)量級(jí)的納米結(jié)構(gòu)陣列組成的人工二維材料。通過設(shè)計(jì)納米單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的振幅、相位和偏振等參量的靈活調(diào)控。這種強(qiáng)大的多自由度操縱光波的能力使得超表面不僅在光場(chǎng)調(diào)控方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)也為全息技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑。

基于超表面的全息方法相比于傳統(tǒng)全息方法具有視場(chǎng)角大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已得到了廣泛地研究，并在全息成像/顯示，VR/AR，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與加密等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。其中，實(shí)現(xiàn)超表面全彩全息能夠有效提高顯示與存儲(chǔ)的密度，已然成為了相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

當(dāng)前，通過單片集成、窄帶響應(yīng)、角度/偏振復(fù)用等方法實(shí)現(xiàn)的全彩全息超表面，仍面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單元選取困難等問題，且這些方法多是基于純相位調(diào)制，無(wú)法控制目標(biāo)彩色全息圖像的偏振結(jié)構(gòu)，更不能實(shí)現(xiàn)偏振的多路復(fù)用，信息容量受到限制。

鑒于此，西北工業(yè)大學(xué)的趙建林教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可實(shí)現(xiàn)全偏振自由度調(diào)控彩色全息顯示與加密的超表面器件。利用四原子宏像素幾何相位超表面對(duì)左、右旋圓偏振分量進(jìn)行復(fù)振幅調(diào)控以及k空間調(diào)制，可以將全彩色全息圖復(fù)用至任意偏振通道中。同時(shí)，基于全偏振自由度調(diào)控以及HSB三維色彩空間調(diào)制，演示了該器件在信息加密場(chǎng)景中的應(yīng)用。

藝術(shù)效果圖：HSB圖像加密

相關(guān)研究成果以 Full-Color Holographic Display and Encryption with Full-Polarization Degree of Freedom 為題發(fā)表于Advanced Materials。

研究團(tuán)隊(duì)利用正交圓偏振態(tài)幾何相位的共軛特性，選取兩種不同的結(jié)構(gòu)單元（對(duì)角和反對(duì)角單元）構(gòu)成四原子復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過反相設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了左、右旋圓偏振分量振幅和相位的獨(dú)立調(diào)控，利用其相干疊加實(shí)現(xiàn)了透射場(chǎng)偏振態(tài)的調(diào)控。進(jìn)一步，通過k空間調(diào)制，借助幾何相位的寬帶特性，通過色散和色差調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了全偏振自由度調(diào)控的彩色全息。

圖1. 全偏振自由度調(diào)控彩色全息超表面的示意圖。(a)k空間調(diào)制示意圖。(b)四原子結(jié)構(gòu)示意圖。

首先選取了6個(gè)具有不同方位角、橢圓度和手性的典型偏振態(tài)進(jìn)行了重建，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2a-f所示。對(duì)于均勻偏振調(diào)制，在單個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)中（見SEM圖像），兩種結(jié)構(gòu)單元的方位角之和即為疊加偏振態(tài)的方位角，而兩種結(jié)構(gòu)單元的調(diào)控效率比（尺寸相關(guān)）決定了偏振態(tài)的橢圓度，因此可以實(shí)現(xiàn)龐加萊球上任意一種偏振態(tài)編碼。

圖2. 任意偏振編碼單色全息顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a-f)具有不同輸出偏振態(tài)的單色全息圖像，以及對(duì)應(yīng)超表面的局部SEM圖像。(g)龐加萊球示意圖，圖中藍(lán)點(diǎn)和紅點(diǎn)分別為設(shè)計(jì)和測(cè)量的偏振態(tài)。

由于目標(biāo)場(chǎng)產(chǎn)生在第一衍射級(jí)次上，這就提供了通過k空間調(diào)控實(shí)現(xiàn)彩色全息的可能性。此時(shí)，在全息圖計(jì)算中進(jìn)行色散和色差補(bǔ)償，并利用幾何相位調(diào)制的寬波段響應(yīng)特性，即可實(shí)現(xiàn)具有全偏振自由度的彩色全息顯示。圖3為具有任意偏振態(tài)彩色全息顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3. 具有任意偏振態(tài)的彩色全息顯示。圖分別為(a)目標(biāo)彩色圖像，(b)實(shí)驗(yàn)重建圖像，(c)檢偏結(jié)果。圖中紅色箭頭表示設(shè)計(jì)的偏振方向，藍(lán)色箭頭表示檢偏器方向。

在上述基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)采用了相干像素的方法實(shí)現(xiàn)了左、右旋圓偏振分量獨(dú)立的復(fù)振幅調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)圖像的非均勻偏振編碼。進(jìn)一步，利用馬呂斯定律，將圖像亮度信息進(jìn)行偏振編碼（偏振方向或橢圓度），從而將可調(diào)制的色彩由二維RGB平面擴(kuò)展到HSB三維彩色空間?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)演示了其在信息加密中的應(yīng)用，即目標(biāo)光場(chǎng)被調(diào)制為具有均勻強(qiáng)度分布和非均勻偏振分布，經(jīng)過偏振濾波，獲得隱藏其中的彩色圖像。

圖4. 偏振編碼的真彩色全息顯示與加密。(a)非均勻空間偏振分布。(b)HSB三維彩色空間。(c)彩色全息圖像偏振加密。

總結(jié)展望：

該工作提出了一種由幾何相位單元組成的四原子宏像素超表面，可以將多個(gè)波長(zhǎng)的振幅與相位信息編碼到任意偏振通道中，有效地避免了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)搜索和制備過程。此外，通過非均勻偏振編碼，實(shí)現(xiàn)了HSB三維色彩空間全息顯示。所提出的超表面器件為輕量3D顯示、AR/VR設(shè)備提供了一個(gè)通用平臺(tái)。同時(shí)，單器件集成的全彩色和全偏振自由度聯(lián)合調(diào)控顯著提高了信息容量和安全性，在全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光通信等面向多路復(fù)用的應(yīng)用中具有巨大的潛力。

論文信息：

Xuyue Guo, Jinzhan Zhong, Bingjie Li, Shuxia Qi, Yu Li, Peng Li, Dandan Wen, Sheng Liu, Bingyan Wei, Jianlin Zhao, Full-Color Holographic Display and Encryption with Full-Polarization Degree of Freedom, Advanced Materials, 2021, 2103192.

西北工業(yè)大學(xué)為論文唯一單位，博士生郭旭岳為第一作者，李鵬副教授和趙建林教授為共同通訊作者。本研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金資助完成。

論文地址：

https://doi.org/10.1002/adma.202103192

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監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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