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超表面全息术--静态超表面全息

发表时间:2023-06-06 09:00作者:许可,王星儿,范旭浩,等来源:期刊《光电工程》

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

▍相位调制静态超表面全息

传统折射型光学器件主要依靠面型的变化来调制入射光波的波前,但受限于自然界中光学材料较小的折射率值 (一般 n<2),实现目标相位调制需要较大的厚度,不利于光学系统的集成化。衍射光学元件(Diffractive optical elements,DOE) 则利用离散深度的台阶来实现相位调制,但通常存在高级次衍射效应,调制效率较低。由一系列亚波长人工结构组成的超表面,可以灵活地调制入射光波的波前相位生成全息图,具有平面化、集成化、无高阶衍射级次、大视场角等特点。

以几何相位为例,如《超表面全息术--概念与设计》所述,当圆偏振光入射时,通过设计结构的取向角可以赋予正交圆偏振态两倍于取向角的附加相位 (广义几何相位结构可提供其他倍数),是一种简单易行的相位调制方法。基于几何相位调制原理的静态超表面全息具有工作波段宽、相位调制深度大、易于实现等特点。

2013 年,Huang 等首次在可见光范围内实现三维全息图像重建,利用具有不同取向角的亚波长等离子体天线来编码相位,结合 CGH 算法,生成三维飞机和螺旋线全息图像,如图 1 所示。由于具有亚波长量级的晶格常数,该超表面可以实现高分辨率和宽视场的零级同轴三维重建。同时由于几何相位的无色散特性,该超表面可以在不牺牲图像质量的情况下实现宽带全息成像。2015 年,Zheng 等实现了一种宽带高效率的反射式超表面全息,在入射波长为 825 nm 处衍射效率达到80%,在 630 nm 和 1050 nm 的工作带宽之间衍射效率在 50% 以上。该设计类似于半波片,在圆偏振光入射下,沿纳米棒天线的长轴和短轴反射时具有接近 π 的相位延迟量,结合金膜作为反射镜,可实现极高的偏振转换效率。2016 年,Zhang 等利用纳米矩形孔径阵列组成的超表面在可见光和近红外波段内实现了相位调制全息图。该孔径是纳米矩形天线的巴比涅结构,能够容忍约 10% 的制造缺陷噪声,包括矩形孔径的长度和宽度、矩形孔径的形状变形以及相位噪声。

除了几何相位,其他的相位调控方式也可以实现全息功能,其中一些方式,如惠更斯型相位调控、传输相位调控,与单元结构的材料特性高度相关。不同于等离子体金属超表面全息器件的高损耗,全介电材料具有低损耗、高折射率等特点,为实现高效率超表面全息显示提供了一个新的思路。

2016 年,Wang 等实现了高分辨率的灰度全息图,在入射波长为 1600nm 时传输超过 90% 的光,衍射效率超过 99%,工作光谱带宽为 375 nm,在当时实现了宽光谱范围内再现灰度图像的最高效率。该工作基于广义惠更斯原理的多共振响应的概念,以硅纳米柱作为单元结构,每个晶格都支持几种电和磁米氏共振。纳米柱具有与尺寸相关的相位延迟,能够在全息图中实现覆盖 0~2π 的相位变化。该设计方法适用于其他具有高折射率的材料,例如 Ge、GaAs、TiO2、金刚石等。2016 年,Devlin 等利用自下而上的制造方法,通过原子层沉积 (atomic layer deposition,ALD) 制造了高纵横比、低粗糙度、各向异性的 TiO2 单元结构,并且这种工艺适用于可通过 ALD 加工的任何材料。所制造的超表面全息图在其各自的设计波长下具有当时最高的效率:82%@480 nm、81%@532 nm 和 78%@660 nm。

▍振幅调制静态超表面全息

振幅作为光的基本参量之一,同样可以调制入射光波的波前从而生成静态全息图。传统光学器件通过镀膜等方法调节透射系数和反射系数,以实现振幅调控。超表面可以基于单元结构的选择透过性,实现二元振幅调控。

2012 年,Butt 等使用垂直排列的多壁碳纳米管 (multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)阵 列 作 为 像 素 来 生 成 二 进 制 振 幅 全 息 图 。 由于MWCNTs 的纳米级尺寸,获得了具有±50°视场的低噪声、高分辨率全息图像。2015 年,Huang 等通过使用随机光子筛和遗传算法实现均匀、无孪生像和高衍射效率的全息图,并开发了一种光子筛设计方法,适用于对可见光的振幅、相位和偏振进行高精度控制。由于光子筛的旋转对称性,全息图具有偏振不敏感的特点,有利于其在光学成像和光谱学中的应用。2020 年,Xu 等使用光子筛作为振幅调制结构,实现了两个具有定量结构相关性的二进制振幅全息图,如图 2 所示。研究人员开发了一种改进的 Gerchberg Saxton (GS) 算法以获得两个二进制振幅分布 (由 0 和1 组成),将其中一个振幅分布的一部分 1 切换为 0,可以得到另一个振幅分布,这种结构相关可以理解为集合关系。进一步地,这两个不同的振幅分布可以重建两个完全不同的全息图像,且具有宽带成像和偏振不敏感的特性。基于所开发的算法,结合活性材料,使得单片超表面具有实现动态振幅全息的扩展可能性。

除了二元振幅调控超表面外,也可利用马吕斯定律 (Malus' law) 来实现振幅的调制。入射光经过与 x 轴夹角为 θ1 的起偏器后被调制成线偏振光 E1

线偏振光 E1 入射到取向角为 α 的单元结构上被调制为 E2

E2 入射到与 x 轴夹角为 θ2 的检偏器后被调制成输出光 E3

由上式可知,通过调节单元结构的取向角 α 可以连续调控入射光的振幅,这种基于马吕斯定律的振幅调控方法具有设计简单、宽带、高鲁棒性等特点。由于衍射效应,衍射光学元件的纯相位调制全息图在重建全息图像的中心存在一个闪亮的零级光斑。几何相位超表面全息图由于工作波长的偏离和制造误差,也会使得零级光斑的强度急剧增加。这种难以避免的零级光斑极大地影响了实际应用中的视觉效果。针对于此,2020 年,Fu 等基于马吕斯超表面的正、负振幅连续调制特性,精心设计银纳米砖的取向角,实现了消除零级衍射 (零级强度为重建图像总能量的 0.7%)、超广角 (70°×70°)、宽带 (从 520 nm 到 660 nm) 的超表面全息图像重建。

▍复振幅调制静态超表面全息

相位调制超表面在重建光场时,仅使用衍射面的相位信息,而忽略了振幅信息,并且通常使用随机相位扩散低频信息,这在观察面上不可避免地会带来散斑噪声,影响信噪比,使得全息图像质量下降。而振幅调制超表面减弱了部分区域的振幅,导致一部分入射光能量损失,降低了能量利用率,不利于实际应用。因此需要同时且独立地调控入射光波的复振幅信息,从而提高全息图像的质量,并在不丢失任何信息的情况下重建完美的目标光场。传统的复振幅调制基于SLM 以双相位分解、相位干涉等方法来实现,超表面为全息显示的波前复振幅调控和编码提供了一个新的解决方案。

2013 年,Ni 等基于 V 型纳米孔的复振幅调制,在可见光波段内实现了超表面全息。然而受限于金属等离子体的调控机制,该超表面的工作带宽十分有限。2016 年,Wang 等基于 C 型裂环谐振器的复振幅调制,在太赫兹波段内实现了宽带超表面全息。通过改变单元结构的半径、分裂角和取向角,实现了太赫兹频率下的五阶振幅调制和八阶相位调制。2018 年,Lee 等提出了一种 X 型多晶硅单元结构,可以独立叠加两个几何相位的调制效果,通过改变 X 型单元结构的取向角实现对振幅和相位的连续调控,在 532 nm 波长下实现了 40% 效率的全息显示。

2019 年,Overvig 等通过调整纳米柱的偏振转换效率来控制振幅,调节取向角来控制相位,如图 3 所示。不仅获得了比纯相位调制超表面全息更好的图像质量,还实现了一些相位调制超表面全息无法实现的特性:创建无伪影的二维全息图像,在物体平面上分别编码相位和振幅分布,在超表面和物体平面上分别编码强度分布,以及控制三维全息物体的表面纹理。2020 年,Jiang 等提出了一种十字型单元结构,通过调整几何尺寸来控制振幅,旋转单元结构来操纵相位。实验结果表明,复振幅全息图重建的三维图像质量优于纯相位全息图重建的三维图像。

▍非线性调制静态超表面全息

近年来,研究人员将非线性光学扩展到了超表面全息领域中,利用超表面在亚波长尺度改变局部的非线性相位响应和振幅响应,实现了非线性全息成像。

2018 年,Gao 等提出了一种 C 形 Si 纳米天线组成的全介电超表面,如图 4 所示。入射光通过基频共振得到增强,产生的三次谐波 (third-harmonicgeneration,THG) 信号通过高阶共振重新分配到气隙区,显著降低了短波吸收损耗,增强因子高达 230。在 C 形 Si 纳米天线中引入从 0~2π 的突变相位后,首次基于 Si 超表面实验生成了高效的青色和蓝色 THG全息图。2021 年,Frese 等基于两种不同的等离子体单元结构引入了非线性几何相位,重建双色全息图像。所使用的二重和三重旋转对称单元结构根据二次谐波 (second-harmonic generation,SHG) 和 THG 在正交圆偏振状态下所需的局域相位定向,并且可以独立地生成颜色信息。同时,可以调整单元结构的几何参数以及入射光的功率和波长控制两个谐波信号的幅度比。2022 年,Mao 等发现氮化硅超表面修饰的石英晶体可以用于 SHG 的波前整形,实验演示了非线性涡旋光束的生成和非线性全息。2022 年,Mao等提出了一种用于非线性矢量全息术的超表面。通过改变具有三重旋转对称性的四个等离子体单元结构的取向角,能够独立控制生成的 SHG 的相位、振幅和偏振。结合改进的 GS 算法,设计和制造了用于产生具有单偏振和多偏振状态的非线性全息图像的四原子超表面。

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2023-06-13
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