超表面全息术--概念与设计发表时间:2023-06-02 09:00来源:期刊《光电工程》 ▍超表面全息术的概念 视觉是人和动物最重要的感觉,80% 以上的外界信息需通过视觉获得,包括视野范围内物体的轮廓、形状、远近、表面细节、颜色等,由此我们可以在残酷的自然环境下生存进化,甚至逐渐发展出对“美”的理解、创造和追求。600 万年的人类进化舞台被设定在一个三维空间内,因此包含着多种生理学、心理学深度线索的三维场景显示能够最大程度上调动人的感知和运算潜能,从而带给人更为真实的体验。然而传统光学成像系统中的光探测器只能对光的强度信息进行离散采样,即使在后处理中利用先进的数字图像处理技术,由于丢失了相位信息,也无法从根本上挖掘深度线索,因此不能够完全重建出真实场景中的三维立体多视角图像。 近年来,随着“元宇宙”概念的提出,产业界迫切需要一种能够重构真实世界景物的三维显示技术来构建起“真实”和“虚拟”世界间的桥梁。在众多三维显示技术中,全息术 (Holography) 基于光波的干涉(波前记录) 和衍射 (波前重建) 原理发展而来,可以重建整个光波的波前以提供三维场景深度线索。相较于双目视觉显示等其他三维实现方法,全息术能够提供人眼所需的所有深度感,包括双目视差、调焦、移动视差、遮挡等,是一种备受关注的理想裸眼三维显示技术。 随着对计算机技术和光传输理论研究的不断深入,利用计算机算法来代替传统光学全息中的波前记录过程,既避免了搭建复杂干涉记录光路又能够通过光波的数学描述重建出虚拟物体,由此诞生的计算全息(computer-generated holography,CGH)技术已被广泛用于光束操纵、空间滤波、三维显示以及光学元件检测等领域。在 CGH 技术中,光场调控器件替代了传统全息干板对入射光场进行调制,目前常用的光场调控器件主要为纯振幅调制型,如数字微镜阵列 (digital micro-mirror device,DMD),或纯相位调制型,如部分的空间光调制器 (spatial lightmodulator,SLM)。受调制原理限制,两者不能加载理想的复振幅全息光场信息,导致信息部分丢失、波前计算复杂。同时,这两种器件的单元结构尺寸往往是可见光波长的十倍以上。大像素尺寸和弱调制能力带来了许多缺点,如视场狭窄、孪生像、带宽窄和多级次衍射等,大大限制了计算全息术的进步与发展。 2011 年,Capasso 课题组提出广义斯涅尔定律,自此超表面作为一种新兴的光场调控器件逐渐进入大众视野。通过单元结构的优化设计和合理排列,这种新型器件能够同时控制光的振幅、相位、偏振和色散等光参量,提供了一种强大的光场调控方式。得益于前人对微纳制造技术和材料领域的探索,由亚波长量级单元结构构成的超表面理论上能够提供接近 90°的衍射角,远远高于传统的主动式光场调控器件。小像素尺寸和强光场调控能力使超表面在超透镜、分光器件和偏转器件等的设计和实现上展露锋芒。利用超表面作为全息图加载的媒介契合了全息技术对高精度复杂光场调控的需求,表现出高设计自由度、高空间分辨率、低噪声、宽带等优点,为 CGH 技术目前所面临的部分问题提供了一条解决之道。 经过十余年的探索,超表面全息技术已得到长足发展,期间经历了调制方式的改进、高性能指标的追求、动态显示方案的探索等阶段,正向着真三维全息显示的终极目标稳步前进。 ▍超表面全息器件的基本设计流程 超表面作为一种光场调控器件应用于全息显示中,其设计过程与传统的光场调控器件类似,但也有其独特之处。传统的计算全息一般分为波前计算、波前编码和波前重建三步。以较为普遍的离散化静态超表面全息器件设计为例,首先计算出全息面的波前分布,然后通过单元结构的设计和排列将波前分布加载在超表面器件上,最后利用微纳加工方法制造。简要的设计流程如下图 1 所示。 图1 简要的超表面全息器件设计过程 计算全息图的波前计算过程基于光传播的数学表达实现,在设计器件前,首先要明确波前信息的编码方式,即选择全息图平面上合适的离散化复数光场表达,这与器件的光场调制原理有关。传统的全息器件一般只能依据器件的调制原理,加载通过迭代算法 (如 Gerchberg Saxton 算法) 或搜索算法(如遗传算法) 得到的纯相位调制图 (相息图) 或纯振幅调制图。一些优化的相息图算法目的是寻找合适的全息面相位分布,在全息面振幅受限的情况下,使全息像与目标像之间的差别最小。为此,一般需要特殊的初始像面相位设计以及优化的迭代算法,可移植性较差。而搜索算法则存在计算时间长的问题。近年来,机器学习、深度学习算法的兴起有望实现快速、高重建图像质量的全息图计算。随着算法的普及和计算设备的发展,该方法将会成为未来波前计算的一种常用方式。以上算法的复杂优化过程都是为了弥补器件调制原理的缺陷而产生,但超表面不仅可以加载纯相位和纯振幅信息,还可以直接加载复振幅光场调制信息,不需要复杂的波前计算就可以实现高质量的全息图重建。因此在波前编码方式的选择上,超表面凭借纯相位、纯振幅或复振幅的多种全息信息编码方式,展现了远优于传统器件的灵活多样性。 不同于传统全息器件,超表面单元结构具有高设计自由度,其结构参数 (如厚度、形状、长宽等) 变化会导致光场调制量变化,因此可以根据所选的波前编码方式选择合适的单元结构进行波前调控。目前对于纯相位调控的研究较为广泛,对谐振相位型超表面、几何相位型超表面、惠更斯原理型超表面、传输相位型超表面和电路原理型超表面都建立了相应的模型和理论。在结构优化方面,需要建立一个可以覆盖调制光场响应需求范围的单元结构库,一般通过电磁场仿真软件中的参数扫描方法来实现。拓扑优化等智能算法也被用于结构的优化,可以提供更大的设计自由度、更好的优化结果并减少参数扫描的时间成本。 将离散全息面波前信息和单元结构库结合起来,如同填色游戏般在对应的波前调制量的位置摆放合适的单元结构,最终得到微纳加工所需要的版图信息并通过选择合适的加工方式实现器件实体化。值得一提的是,虽然一般的离散全息光场是通过均匀采样函数产生的,但是非均匀采样即非周期单元结构和波前优化设计方法的出现,将会提供更多的设计自由度以实现更加复杂的功能。 以下举例说明一般的离散化超表面全息器件的设计过程,如图 2 所示。 图2 以几何相位调控超表面为例的全息器件设计过程 第一步:选择合适的单元结构。如图 2 步骤 1所示,以适用于几何相位调控的各向异性单元结构为例,几何相位又被称为 Pancharatnam Berry 相位 (PB相位)。当圆偏振光入射时,一部分光将转换为其正交偏振状态并携带二倍于取向角的附加相位,因此可以通过改变单元结构的取向角实现相位调制。纳米砖是一种常用的几何相位调制结构,通过改变几何尺寸来求解其电磁学响应特性,通常选择具有最高偏振转换效率的单元结构作为基本设计单元。 第二步:计算全息面相位分布。如图 2 步骤 2所示,利用计算机模拟衍射过程,①将目标图像附加随机相位作为初始状态,逆向传输到全息面得到全息面的光场复振幅分布。②对于纯相位调制的计算全息图,入射光将具有均匀且较高的透过率,正向传输计算时将振幅调制量置一。③令调制过的入射光正向传输至像面,此时,重建像的质量受到影响。④保留像面的相位分布,调整振幅 (如带入目标像振幅分布),逆向传输到全息面;⑤重复上述过程。通过多次迭代,重建像与目标像的均方差趋于稳定,并在全息面得到目标相位分布,也就是器件需要对入射光实现的相位调制量分布。 第三步:结合全息面相位分布与单元结构的电磁响应特性,在全息面每个像素处选择合适的单元结构,导入仿真软件验证显示效果。 第四步: 利用微纳制造技术,如电子束曝光 (electron beam lithography, EBL)、 聚焦离子束(focused ion beam,FIB) 等制造超表面全息器件,搭建光路并进行实验验证。 超表面可以利用不同的单元结构实现对入射光波相位、振幅等的任意调控,从而增大了全息编码方式的可选择性和编码信息容量,有望实现高质量的图像重建和更新奇多样的功能。按照超表面对入射光波的作用机制来分类,静态超表面全息可以分为:相位调制静态超表面全息、振幅调制静态超表面全息、复振幅调制静态超表面全息、非线性调制静态超表面全息。
2023-06-06
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