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超表面全息术--多路复用动态实现方式

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

静态超表面全息器件,如图 1 所示,在设计制作完成后无法改变显示图案,这与快速变化的现实世界和多样化的功能需求相矛盾,极大地限制了使用场景。因此,如何基于超表面全息器件实现动态显示效果是该领域目前亟待解决的一个问题。

图1 静态超表面全息器件

超表面全息显示系统主要包含入射光场调制与解调系统、超表面器件两部分,其中任意一个部分的变化都可以实现动态全息。在此,我们定义通过改变前端的输入光场来实现动态效果的超表面全息器件为多路复用型超表面,如图 2 所示。虽然多路复用型超表面本身是静态的,即其结构及性质不会改变,但通过设计可以响应入射光的基本参量变化。而在光、电、化学、机械拉伸等刺激下单元结构的折射率、周期等会发生改变的超表面器件则定义为主动式超表面器件,如图 3 所示。目前,这两种动态超表面技术都有了一定的发展,其在全息显示领域的应用有望实现更高的信息容量和更真实的视觉体验,下面将分两个篇章详细介绍这两种动态全息技术的实现方法和代表性工作。此次介绍的为多路复用超表面全息

图2 多路复用超表面全息器件,通过改变前端入射光的光参量可以实现动态显示

图3 主动式超表面全息器件,超表面器件本身可以响应光电热化学等刺激而产生变化

▍多路复用超表面全息

入射光场包含多个基本参量,如入射角、波长、偏振和轨道角动量 (orbital angular momentum,OAM)等,可以作为光场编码与解码的“密匙”,形成出入射光场间一一对应的关系。配合静态的超表面设计,通过改变前端的入射光场,就能实现一定程度的“动态”,从而改善图像信息的传输带宽、器件功能性和显示效果。目前,超表面的多路复用技术已经在彩色全息显示、光通信和光学加密等领域得到了广泛应用。

波长复用的超表面全息

波分复用技术在光通信领域应用较多,将其引入超表面全息领域则可将全息图像进一步拓展为彩色 (多色) 全息显示图像。人类眼睛后表面锥状细胞上的不同区域对红色 (R)、绿色 (G) 和蓝色 (B) 光谱的响应给我们的世界带来了缤纷色彩。“RGB 三基色”的概念已经深入人心,而“RGB”分离方法也广泛应用在彩色图像处理、彩色摄影技术和彩色晶体管显示等领域。彩色全息也同样基于这一概念,通过设计单元结构对于 RGB 三色光产生独立响应,再组合全息投影像实现彩色全息像显示。而传统的光场调控器件一般在单波长下工作,要实现彩色全息,需要使用多器件组合、时分复用、空间复用、深度复用或频域复用技术,系统庞大复杂。相较于传统的光场调控器件,超表面由亚波长单元结构组成,能够实现更高自由度的光场调控,为彩色全息显示提供了更多可能的实现途径。总体来说,超表面单元结构的设计思路和编码方式一般包括以下四种:

单元结构的空间交错排列。调整单元结构的结构参数可以影响其透射或反射光谱,从而使单元结构起到类似“滤波”的效果,以解耦超表面对三色光的相位调制 (一般为几何相位调制)。2016 年,Zhao等选择具有窄光谱响应和相对较低的短波长损耗的硅纳米棒作为基本结构,以多晶胞像素单元实现了反射型的全彩色超表面全息图,能够通过空间复用三基色的子单元来重建任意 RGB 图像。

同年,Wang 等用类似的设计思路将优选出的硅单元结构交错排列组成一个大晶胞,当三种颜色的激光同时入射超表面时,不同结构调制对应波长的光场,实现了红花、绿叶、蓝盆的组合显示,如图 4 所示。2022 年,Zhang等利用等离子体光刻技术制造了一个具有全彩、高纯度和增强信息容量特性的厘米级等离子体超表面,通过银 (Ag) 等离子体浅光栅的结构参数设计结合几何相位调制实现了彩色全息显示和彩色打印的结合。这种设计方式在彩色全息领域已较为成熟,进一步结合偏振复用可实现三维彩色全息图像显示和光学加密分享。该方法的主要问题是调制效率低和存在信道串扰。目前,基于硅材料的光谱分立结构较为常见,基于氮化钙、卤素钙钛矿材料的结构也有一定的研究,但并不是所有可见光波段的常用材料都可以找到合适的结构,单元结构的寻找通常采用参数扫描的方式来实现,耗时较长。

2022 年,Ma 等提出了一种由神经网络和进化策略组成的混合框架,以逆向设计具有所需共振波长、带宽和相位延迟的单元结构。使用所提出的混合框架,可以通过精确控制每个单元结构的共振波长和带宽来消除不同波长通道之间的串扰。该结构设计框架的实用性通过线性偏振光的多色全息在理论和实现上得到了验证。

图4 空间交错排列型

多层结构。该类型超表面通过多层设计将调制过程分开,一般至少包含一个滤光片的微阵列和一个相位调控阵列来分别实现对于光谱和相位的独立调控。2019 年,Hu 等通过在基于 Fabry-Pérot (F-P) 腔的单片彩色滤光片微阵列上叠加全息超表面,同时实现低串扰、偏振无关、高效、全彩的全息显示和纳米打印图像显示,如图 5 所示。改变所设计的金属-电介质-金属 F-P 谐振腔 (metal-dielectric-metal Fabry-Pérot,MDM F-P resonator) 的电介质厚度可以改变透过的波长,而全息图由各向同性的介电单元结构产生,两者均通过传统的电子束曝光 (EBL) 工艺制造。同年,Lim 等利用激光直写技术制造了一种在相位板上叠加结构色单元的单元结构,能够同时实现对于光振幅和相位的调控,通过合理排布像素单元可以在白光下呈现彩色图像,在红绿蓝三种激光的照射下能够投影出彩色全息图的效果。这些多层超表面结构实现的关键在于振幅、相位等参量的分离调控和器件的制造,需要三维微纳制造技术在制造效率、良品率、加工分辨率上为其提供制造可行性。

图5 多层设计及改进的 GS 算法

色散调控。基于某些特殊单元结构本身的色散特性,可以在多个目标波长下建立完整的相位库,实现多波长的独立调制。2018 年,Shi 等利用反射型超表面使得单元结构能够提供更大的相位调制范围,并且通过在单元设计中引入尖锐的共振实现了不同波长下相位的有效解耦。扫描结构参数所得到的三个不同波长的相位响应曲线产生了折叠,从而引入了不同波长相位间的非线性映射,展开量打破了不同波长相位间的一对一关系,如图 6 所示。

图6 色散调控

结合其他复用技术。利用几何相位、迂回相位进行相位调制,虽然其调制量与波长无关,但传播过程是与波长相关的,所以不同波长的重建图像会具有不同的位置、大小、衍射角。2019 年,Hu 等提供了一种非交错的偏振复用三通道彩色全息显示方法。三个不同的相位分布被编码在三个偏振通道上,使得彼此的串扰几乎为零。由于通道设计是宽带的,相应的 三 个 独 立 构 造 的 重 建 强 度 分 布 被 分 配 给 三色(RGB) 光束,从而在整个可见光范围内产生高质量和高效率的矢量超表面全息显示。2016 年,Li 等设计了纳米狭缝单元构成的超表面,不同波长的激光束以不同角度斜射时,只有在设计的成像位置上输出光束才能够叠加产生多色图像。类似地,2020 年,Deng 等利用双铝纳米棒的几何相位和迂回相位结合的方法,通过反射式超表面产生与波长无关的相位量,可实现对相位、偏振、振幅多参量的独立调控。对于同一个纳米单元,不同波长的全息图像会被分离到不同的衍射角上,如图 7 所示,只有在特定位置上才能实现三色通道图案的合理叠加。

图7 结合角度复用技术

在彩色超表面全息快速发展的过程中,多功能集成也被融入器件设计以提供更高的信息容量。超表面彩色打印是一种利用超表面对入射光的光谱响应来实现超高分辨率彩色图像显示效果的技术。通过超表面设计实现彩色全息和彩色打印功能的集成,既能够存储更多信息量,也能保证极高的分辨率。上述讨论中的第①、②类器件都可以实现这一功能。

当以晶胞 (晶胞内包含可独立调控 RGB 三波长光的结构单元) 作为像素单元进行超表面设计时,每一个像素对 RGB 三色的全息图像重建都产生贡献。在单元内,通过控制结构参数可以调整单波长光的透反射强度和相位,从而实现任意彩色打印和彩色全息的集成。2019 年,Bao 等通过使用晶体硅纳米砖组成的介质超表面,将色域从 2D CIE 扩充到了 3D HSB 空间,并且具有较高的纳米打印分辨率 (~36000 dpi) 和全息保真度。在每个晶胞像素中,包含了一个红色单元、一个绿色单元和两个蓝色单元,每个单元由两个纳米砖组成,通过改变纳米砖的长度来调控光谱信息,利用双纳米砖单元的两个取向角差值可以连续调控颜色的强度,以适当的强度比例混合三色就可以得到宽色域的纳米打印图像。目标的单色全息 (菲涅尔区) 相位可以通过晶胞内该色单元中双纳米砖的任一取向角来控制。当同时入射三色激光时,三色全息的不同强度图像重叠在一起,得到期望的彩色图像。

对于非晶胞像素单元的结构,只有当像素内放置的单元结构对于入射单色光具有一定的响应强度值时,该像素才对入射单色光的全息图重建有贡献。因此,在全息图计算的过程中,需要调整传统的 GS 算法,使得对分割的全息面区域能够在远场重建出目标图像,如图 5 所示。2019 年,Wei 等提供了一种以单层超表面同时实现双色全息和双色纳米打印的策略。多晶硅的纳米砖和双纳米砖单元结构可以分别提供红绿两色的光谱响应,通过结构的排列可以在近场得到双色纳米打印图像。利用几何相位调制其相位,对应结构能够分别在目标波长得到可观的光谱响应。在红光和绿光入射下,利用调整的 GS 算法得到分区相位,可实现远场的红花绿叶双色全息像。

▍角度复用的超表面全息

超表面的角度响应建立了输入输出角之间的对应关系,对于实现光束偏转而言非常重要。通常超表面单元结构在不同角度入射光照射下产生的相位会略有不同,但在可见光波段角度响应可控的结构仍鲜有报道,一般的超表面器件只能在几个分立的入射角上实现全息等功能的复用。

在角度复用的超表面全息技术方面,直接通过结构单元设计来实现几个分立角度上不同图案的显示是一种较为常用的方法。2017 年,Kamali 等设计并制造了一个由 U 型单元结构构成的反射式角度复用超表面,可以在不同入射角情况下产生不同的响应。在正入射的情况下,只有对称模式会被激发;而在斜入射的情况下对称模式和反对称模式都会被激发,从而在不同的入射情况下实现独立控制。图 8 中展示了在 0°和 30°入射角情况下设计的角度复用超表面全息器件。在对应的入射角条件下,可以显示加州理工学院徽标或者 LMI 标志。2021 年,Jang 等通过增加晶胞单元的设计复杂度,实现了将四个通道作为双映射函数处理的独立波前调制。研究人员在一个像素大单元内排布两个单元结构组以迂回相位的形式实现相位调控,每组单元结构包含四个小结构用于提供与角度相关的散射特性,根据入射角不同可以高保真地独立生成四个不同的图像:“东南西北”的英文单词。

图8 角度复用型超表面全息器件,可以分别在 0°和 30°入射角情况下显示不同的全息图案

虽然超表面具有很高的设计自由度,但由于散射的复杂性,选取具有较高响应可控性和角度依赖性的单元结构还较为困难,目前角度复用超表面全息技术能够实现的复用通道数量较少、功能性受限。因此结合其他复用技术进一步扩展超表面全息的通道数量是一种较为可行的方案。Wang 等通过结合角度复用和圆偏振复用技术建立了四个通道,实现了全庞加莱光束、正交偏振态图像切换、矢量打印图像和光通信应用。2022 年,Wan 等利用金属-绝缘体-金属基(metal-insulator-metal-based,MIM-based) 单元结构,在反射式超表面设计中以单元结构构成 MIM F-P腔。F-P 腔的有效腔长随入射角而变化,导致单元的光学响应具有角度敏感性。此外,基于 MIM 的单元结构还可以诱导明显的等离子体响应,以实现比单个金属层更强的相位和幅度调制。该工作利用表面等离子体共振 (surface plasmon resonance,SPR) 和 F-P纳米腔共振的入射角敏感性,成功实现了角度加密的超表面设计,可同时构造四个独立编码通道,包括双全息图像显示通道和双纳米打印显示通道,如图 9 所示,极大地拓宽了信息容量。

图9 结合纳米打印设计,可以实现四种不同图像的显示

超表面角度复用技术不仅可以通过通道复用的方式扩展成像的信息容量,还可以在离轴照明的情况下将倏逝波转换为传输波,实现倏逝波信息的远场重建。2017 年,Zhang 等通过在亚波长尺度纳米孔阵列中编码信息,提出了一种超高信息容量超表面全息图,可以在设计入射角度下实现图像重建,将无畸变区域定义的 2D 全息图的成像信息容量增加 11.5 倍。

综上,角度复用的超表面设计可以提供更高的信息容量和功能性,其中高分辨率、高效、可控的角度敏感单元结构的探索和设计将成为该技术向前迈步的关键。

偏振复用的超表面全息

传统的衍射光学元件或自由曲面光学器件一般只能调控光的振幅和相位,但超表面器件通过其形状双折射效应 (由构成结构元素各向异性的形状而非材料的各向异性产生的双折射效应) 可以响应入射光的不同偏振态或对光的偏振态进行有效调控。2013 年,Chen 等通过金纳米棒在光照下所激发的强局域表面等离子体共振,结合金纳米棒长度变化对反射波的相位调制,实现了高效的反射全息像显示。只有在偏振方向与纳米棒方向一致的时候才会显示目标正交偏振下的设计图像,将其中一个的像素阵列旋转 90°,利用像素单元内空间重叠的纳米交叉结构,实现了偏振的复用。同年,Montelonge 等也基于类似的“L”形天线实现了正交线偏振复用的设计,不同之处在于其通过调制幅度实现。除了线偏振态,Wen 等利用几何相位和交错排列结构的方式也实现了圆偏振态的复用,但是左右旋的图案不能独立设计。2017 年,Mueller 等通过结合几何相位和传输相位实现了对任意一对正交偏振态的独立相位调控,如图 10 所示。进一步,Li 等通过引入马吕斯超表面的概念,利用光强和纳米砖取向角之间的 1-M 映射,将近场纳米打印图像与远场圆偏振双全息图像结合,如图 11 所示,增大了信息的存储容量。

图10 利用传输相位结合几何相位实现左右旋圆偏振复用的设计方案

图11 同时在近场记录一幅连续的灰度纳米打印图像并在远场投影两幅独立的全息像

矢量全息技术在激光加工、量子信息处理等方面具有广阔的应用前景,并且它的三维显示特性使它成为设计下一代增强/虚拟现实(augmented reality/virtual reality,AR/VR) 设备的理想选择。利用超表面进行偏振调控也是一种产生任意矢量全息图的可行方案。2018 年,Deng 等以两个正交单元结构组成的晶胞为构筑基础,通过改变单个单元结构的偏移量和取向角调制相位和偏振,从而实现主动的多偏振模式衍射以及矢量全息图像重建。2019 年,通过使用结构双折射介电超表面,Arbabi 等提出并演示了具有任意偏振态的矢量全息图。在该项工作中,图像的颜色信息 (RGB) 被转换为斯托克斯参数 (S1、S2、S3) 以存储并重建单色全息图像,结合改进的 GS 算法,实现了伪彩色的全息像重建。在三维矢量全息技术方面,Ren 等提出了一种三维矢量全息技术,如图 12 所示,使用基于多层感知神经网络的机器学习逆向设计的方法精确重建任意的波前三维矢量场分布。该技术可以在无透镜的情况下以超大视场角(94°) 和高衍射效率 (78%) 重建三维矢量全息图像,适用于浮动显示和加密领域。这项研究首次证明光的三维矢量状态可以作为独立的信息载体,实现信息的编码和复用,不仅为下一代超宽带、超大容量、超快速并行处理的光学全息系统奠定了基础,同时也为人们加深理解光与物质的相互作用 (例如粒子操控) 提供了一个崭新的平台。

图12 利用机器学习逆向设计实现以超大视场角 (94°) 和高衍射效率 (78%) 重建三维的矢量全息图像

超表面控制任意偏振的能力使得多路偏振复用和矢量全息得以实现,同时也能进一步与其他光场自由度 (如 OAM、波长和空间信道) 结合。2022 年,Guo等提出了一种由四个单元结构为晶胞单元组成的几何相位超表面,具有以任意偏振编码全彩色全息图的能力,大大丰富了矢量全息的应用场景。然而,偏振复用超表面全息和超表面矢量全息都存在成本高、制造过程耗时长以及缺乏适用于单元结构的有效动态控制方法的问题。为此,在科学性上,对纳米尺度上的光与物质相互作用过程的理解和控制有待于进一步加深;在实用性上,机器学习的快速发展将有望提供对无散斑矢量全息图像的新算法,用于高精度的矢量光束生成和场控制。

OAM 复用的超表面全息

以光的螺旋波前为表现形式的轨道角动量已成为一种新的设计自由度,用于提高光学和量子信息容量,并在光镊操纵、微纳制造中广泛应用。然而,传统的全息图设计中缺乏 OAM 选择性,因为具有准连续空间频率分布的数字全息图会破坏光的 OAM,使光场在全息重建过程中完全失去 OAM 物理特性。但是由于 OAM 的模式数在物理上是无限的,将 OAM 全息技术与高分辨率的超表面相结合可以为超高容量全息设备和系统提供更大的发展空间。

2019 年,Ren 等提出一种 OAM 超表面全息的概念,通过设计三种离散空间频率分布的超表面全息图分别实现了 OAM 一致、OAM 选择、OAM 复用三种全息显示功能, 如图 13 所示。超表面全息图离散的空间频率分布使得光场在重建过程中保留了OAM 特性,从而可以产生像素化的全息图像。基于OAM 多路复用的方法,通过 OAM 选择性全息图的叠加,可以在不同的 OAM 光束入射的情况下,分别重建出对应的 OAM 相关全息图像。

研究者们设计并展示了一个由 GaN 纳米柱组成的 10 位 OAM 复用超表面全息器件,可以重建 210 个具有高信噪比的OAM 相关全息图像,展示出将 OAM 自由度用于超高容量全息复用和 OAM 加密的应用前景。在此基础上,2020 年 Ren 等将纯相位调控的超表面升级为复振幅调控的超表面,从而减小了通道之间的串扰,提高了通道数量。利用双光子聚合 (two-photonpolymerization,TPP) 激光直写技术,研究者将超表面图案三维打印在聚合物介质中,实现了大面积制造。该超表面单元结构的正交偏振转换效率和传输相位随着纳米柱的高度和长度变化,结合平面内结构取向角的变化,可以实现对于振幅和相位的独立调制。通过设计并制造 OAM 复用超表面全息器件,在不同OAM 光束的照射下,实现了 200 个独立的 OAM 通道全息图像的独立显示。作者展示了在两个不同的平面上独立平滑播放的全息视频,表明该设计具有动态三维全息显示的能力。

图13 离散空间频率分布的 OAM 复用超表面全息器件设计

除此以外,2019 年,Jin 等提出了一种介电多动量转换器设计,可以将具有不同拓扑电荷的 OAM 光束重建为不同的轴上图像,如图 14 所示。

图14 可见光波段多动量介质超表面转换器,比例尺:20 μm

转换器本身具有固定的相位分布,通过协同光的内在特性 (如 OAM 和线性动量) 以实现动态超表面全息。透射光束的总相位分布是

其中:  在器件制造完成后就固定了,其数值由单元结构阵列的取向角编码的几何相位来定义。而  是入射 OAM 光束的相位分布,它可以通过切换拓扑电荷值 来改变,其相位通过开发的多OAM 相位检索算法来设计。同时,利用多线性动量的相位检索算法来设计线性动量转换器,器件分别在红、绿和蓝光照明下展示出了“R”、“G”和“B”重构图案,证明了其具有在彩色全息显示中应用的可能性。

空间复用的超表面全息

得益于超表面极高的单元密度,可以通过空间划分的方式将单个超表面分成多个子区域,通过照射不同区域可实现不同全息图像的重建。2020 年,Izumi等通过空间复用的方法,将目标显示的视频内容划分成 48 帧,分别生成全息图并分区域编码在超表面上,通过二维位移台移动超表面使得入射光照射不同区域,成功实现了 30 f/s 帧率的图像显示,如图 15 所示。但是该工作的帧率受到了位移台的限制,帧数等于设计的全息通道数目,需要依靠大规模制造才能够实现更高的帧数,不利于实际应用。

图15 空间复用型超表面器件,以类似电影放映的方式实现动态全息视频显示

同年,Gao 等提出了大帧数和高帧率的空间复用动态超表面三维全息的设计。在该项工作中,除了展示了顺序播放的超表面全息视频,研究人员还演示了一个 28 位的空间信道选择超表面全息设计。通过将图像划分成多个子图并编码在不同的空间信道中,利用不同子图的组合,该超表面全息器件可以显示 228 个不同的帧,极大地提高了帧数,如图 16 所示。通过前端的高速动态空间光束编码模块可以生成高精度编码的结构光束,使超表面全息系统达到了 9523 f/s 的高帧率。相较于之前的工作,该工作能够实现较大的帧数和较高的帧率,但是仍然存在整体系统较大 (需要复杂调制光路产生结构光场)、无法控制单个像素等问题。

图16 空间复用型超表面器件,可实现电影放映式动态全息显示或者结合结构光实现 228 个不同的帧显示

2022 年,Tang 等设计了较为紧凑的空间复用型器件,利用偏转功能的超表面和全反射巧妙地实现了光路的折叠,但是能显示的帧较少。另一方面,可单像素控制的“相位选择”的空间复用形式已由 Li 等通过模板的方法进行了尝试,如图 17 所示。该工作将四个不同阶的相位单元结构组成一个晶胞,利用 EBL 曝光的方法可以写入和擦除单个结构上覆盖的聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate,PMMA),从而选择该晶胞像素对应的相位。原则上,一个超表面模板可以无限次擦除和重写,以产生各种光学功能,从而大大降低了制造复杂性。这种可单像素控制的空间选择超表面将有望以光调控的方式实现真正的“动态”,具有很大的发展探索空间。

图17 利用模板实现的空间信道选择超表面器件

传输方向复用的超表面全息

不对称传输现象已广泛应用于光学隔离器、光纤环形器等器件的制作,对于光路搭建与功能实现具有重要作用。基于超表面实现不对称传输,或者称为“非互易传输”,有利于多功能集成和实现复杂的光场调控,为未来光计算、光芯片、片上系统等领域的设计和发展打开新思路。

电磁波的偏振转换特性在实现不对称传输中起到了关键作用。上文偏振复用超表面中所描述的各向异性超表面结构,对于不同偏振态的光具有不同的传输效应,也被广泛应用于传输方向复用的超表面设计中。2019 年,Frese 等通过设计双层等离子体透射式超表面,在近红外波段对光进行全相位和幅度调控。基于 L 型等离子体纳米天线的偏振转换效应和双偏振器单元结构的偏振过滤特性,引入局域不对称的设计实现了不对称的超表面全息和非互易光传输。对于设计波长 1150 nm,在正向传输的正交偏振通道内以 3.3% 的偏振转换效率实现全息图重建,而在反向传播中,偏振转换效率衰减到 0.4%。2020 年,Ansari 等使用分区设计的方式实现了单层可见光区域的不对称传输全息显示。将包含两个不同取向角的纳米单元组成大晶胞,通过控制两个纳米单元的相位差 (  ),可以控制前向反向的传输响应,使得在前向传输光照射的情况下表现为会聚效果,在反向传输的情况下表现为发散效果。通过优化材料 (a-Si:H) 提高了效率,纳米单元的传输透过率为75%,偏振转换效率达到了 74%,全息衍射效率达到 61%。

同时由于器件为单层设计,加工较为简单且与传统的互补金属氧化物半导体 (complementarymetal–oxide–semiconductor,CMOS) 工艺兼容,但两个传输方向之间存在串扰且需要工作在菲涅尔区。2021 年,Naveed 等通过将传输相位和几何相位相结合的方式实现了不对称的全息图像显示,图像间完全解耦,如图 18 所示,正交偏振光占总输出光的比值达到了 88%。2022 年,Kruk 等在不对称传输设计时融入了非线性介质谐振器,在红外光照射下可以产生可见光谱范围内的图像,通过 THG 的非线性过程,超表面在两个相反的照明方向下将产生不同的图像,为新型纳米光子器件提供了一种新的设计思路。

图18 非互易型超表面全息器件

但是,目前传输方向复用的超表面全息器件依旧面临着传输效率低、制造工艺复杂、偏振敏感等方面的问题。以几何相位为设计思路的不对称传输超表面实际上是依赖于几何相位的偏振敏感特性,在信息复用的角度上,两个自由度 (圆偏振旋向和传输方向) 之间是重叠的,并且器件总要受到单元结构的偏振转换效率的限制。因此,偏振无关的不对称传输器件设计将是未来该方向发展的一大难点。另一方面,超表面的加工制造一直是设计转化成实物的一道难关。在多层级联的设计中,层与层之间的对准问题、额外增加的损耗问题都会降低超表面的效率。一些单层设计的几何相位不对称传输超表面改进了全息图的算法,可以实现不对称的全息显示并且避免了多层加工所面临的问题,但是图像质量较差,且只能工作在菲涅尔衍射区。全息图像的显示可以更加直观地展示出这些不对称传输超表面设计的可行性,但不对称传输全息显示的实用性有待研究者进一步讨论。总体而言,传输方向复用的超表面全息丰富了器件的功能性,将会极大地促进未来光集成、信息安全、光通信等领域的发展。

衍射光场复用的超表面全息

在上述提到的复用手段中,入射光场的偏振、OAM、角度等信息一般作为全息显示通道的开关信号,而不包含全息显示的实际信息,只以超表面作为信息存储的主要载体。对于衍射光场复用的超表面全息技术,入射光场中也包含部分全息显示信息,通过改变入射光场,改变传输一段距离后的衍射光场,可以基于同一片超表面器件实现复用式动态全息功能。光与超表面的相互作用可表述为

其中:  分别为入射光和超表面的光场函数。2020 年,Qu 等将加密信息分为上述两个矩阵,通过入射光的相位矩阵提供了额外的自由度,使得静态的全电介质超表面“动”起来,如图 19 所示,实现了利用单个超表面传输和解密任意全息图像和视频的效果。除此之外,通过设计组合多个超表面,当级联、旋转单个超表面时也可以在几个全息图像间实现图案切换,提高了信息存储的安全性。

图19 衍射光场复用型全息器件,可以通过利用空间光调制器改变入射光场实现动态显示

2021 年,Georgi 等将全息图的信息分别编码在两个超表面上,这些单层的超表面已经可以形成远场全息图像,而当两个超表面以 100 μm 的间距被堆叠在一起时,照射这些级联的器件就会产生新的全息图像,如图 20 所示。

图20 级联超表面,可以在单层或多层叠加的情况下显示不同的全息图像

2022 年,Wei 等受级联超表面全息的启发,使用两个级联超表面之间的平面内旋转作为附加设计自由度,引入旋转复用方法的概念,如图 21 所示。为获得每个超表面合适的相位调制分布,设计者提出了一种基于机器学习的迭代梯度优化方案,所设计制造的器件可实现单层和级联的双工作模式并成功演示了六种不同的全息图像。超表面旋转自由度的开发使得一组级联超表面可以进一步编码两个或多个任意目标图像,这提供了两倍或更多的信息容量,在高安全级别的光加密和防伪方面具有巨大潜力,并为高密度图像存储、光信息处理、动态显示等许多领域的前沿研究开辟了新的可能性。

图21 利用两个级联超表面的面内旋转,引入旋转复用的概念,从而展示不同的图像

基于超表面复用全息的器件与应用

除以上所介绍的复用技术外,透反射全空间复用、衍射级次复用等超表面全息技术也逐步拓展开来,为动态显示的实现方案增添了多样性。基于这些复用技术,近年来超表面全息技术在应用方面也不断推进,以显示为例,超表面彩色全息、动态全息等技术都希望能够重建更加逼真的现实世界的场景。除此之外,超表面的显示功能与其他器件结合还能实现传感功能。

2021 年,Kim 等将对气体具有快速反应的液晶 (liquid crystal,LC) 材料和圆偏振复用全息超表面器件结合起来,实现了自动探测易挥发性气体并发出全息视觉警报的功能,如图 22 所示。所使用的液晶材料对于气体的响应可以反映在对入射光的偏振调节上,当气体的浓度超过某一阈值时,出射光的偏振状态就会改变。通过结合传输相位与几何相位,实现了左右旋圆偏振光入射时分别显示笑脸与警告图像,从而达到检测和警报的效果。所设计的超表面加工在柔性基底上,并进一步转移到护目镜上测试,测试效果与理论设计相符合,具有较高的器件集成度和较低的机械与电损耗。

图22 一种左右旋偏振复用全息器件用于气体传感,通过结合液晶材料,可以在不同的气体浓度下改变入射光的圆偏振特性在两个图像之间切换

通过对全息显示图案的特殊编码,复用超表面全息器件也有望用于信息安全。2021 年,Li 等受广泛用于网络和无线数字通信的码分复用 (code divisionmultiplexing,CDM) 的启发,设计并实现了一种动态超表面全息图像显示器件,可由前端结构光束和偏振态控制显示图像,如图 23 所示。具体来说,将两个正交偏振态和 16 个光照代码库结合起来,生成32 个独立的通道。只有正确的代码才能解码特定通道的目标图像,为信息传输提供加密效果。同时,所展示的具有 CDM 的超表面全息技术可以通过 DMD实现主动调制,可用于实现动态信息显示、数据存储、光学加密和其他光学应用。

图23 码分复用型超表面器件

同年,Wan 等通过控制远场全息图像的相位分布来复用矢量全息图像。通过改进的 GS 算法精确控制重建图像的相位差,两个不同的全息图像通过两个空间交错排布的超表面独立设计分别对两个正交圆偏振光响应,并且在远场灵活地加密了额外的矢量全息图,如图 24 所示。通过改变入射的左右旋圆偏振光之间的相位差,可以调整重叠区域内的图像。

图24 一种矢量全息器件,可以控制全息像面的相位信息,使在特定的输入输出条件下隐藏或显示图像信息

新兴的片上超表面能够支持具有各种功能的表面等离子体基元模式,可实现光束偏转、定向发射/耦合、全息显示等功能,是芯片级光子系统实用化的一条新途径。2022 年,Shi 等提出一种超表面片上与自由空间复用的设计方案,通过实验实现了一种新型的小型化 AR 全息设备。结合迂回相位与几何相位设计,片上超表面可以同时操纵片上导波和自由空间光波,提升了超表面的信道容量并避免了零级衍射干扰。所提出的基于片上超表面的 AR 设计与当 前 的 光子集 成 电路 (photonic integrated circuit,PIC) 技术兼容,因此可以很容易地与可穿戴光子设备集成,具有小型化、多功能和宽带操作的优势。综上,虽然基于复用超表面的全息技术还不能真正实现任意图像或视频显示,但是它的信息容量已经可以应用于一些只需少量图像显示的专业场景。复用的概念和设计可以从多个维度增大信息存储量和信息的安全性,其中波长复用、偏振复用等方法在彩色全息、矢量全息、光通信等领域有较大的使用价值。

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由一系列人工亚波长单元结构组成的超表面可以对光的振幅、相位、偏振、波长等各种特性实现高自由度的任意调控,但各种功能的精准实现对单元结构的几何尺寸、形貌结构、周期距离等参数提出了苛刻的要求,针对于此,研究者们提出了多种制造方法,以适应不同场景的需要。目前大多数超表面器件都是基于电子束曝光 (EBL) 和聚焦离子束 (FIB) 来生产制造的,这两种方法具有加工精度高、适用材料范围广、自由度高等优...
2023-06-16
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