超表面全息术--主动式超表面全息发表时间:2023-06-13 09:00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。此次介绍的为主动式超表面全息。 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 ▍主动式超表面全息 除了改变入射光场的各种特性 (偏振、波长、入射角度等) 来复用单个超表面以实现动态显示,还可通过改变超表面本身的性质,实现主动式超表面全息从而达到动态效果,调制方法主要有以下几种类型:相变材料调制、化学反应调制、机械调制、介质环境调制、电调制、激光调制和热调制等。 ▍相变材料调制 相变材料 (Phase change materials,PCMs) 为实现主动式超表面全息提供了一条切实可行的途径,研究人员已经基于 Ge2Sb2Te2(GST) 和 VO2 实现了多种可切换的全息图像重建,极大地提高了信息容量。 通过适当的热、光、电等刺激,可以实现 GST晶态与非晶态的灵活切换,基于这两种状态所表现出不同的折射率和消光系数,结合超表面可以达到主动可调全息图像的目标。2018 年,Zhang 等将 GST 与等离子体超表面结合,实现了在中红外光谱范围内工作的可切换的自旋霍尔效应、涡旋光束产生和全息术,如图 4 所示。所设计的超表面使用金属-绝缘体-金属 (MIM) 结构,其中绝缘体层由 GST 和 MgF2 薄膜组成,底层由金组成,顶部由亚波长金等离子天线组成阵列,通过加热实现 GST 从非晶态到晶态的转化。2020 年,Zhou 等利用金裂环谐振器 (split ringresonator, SRR)-GST-SiO2 的单元结构实现了动态全息加密。该方法基于 GST 的非晶态与晶态的转变,以改变 SRR 的振幅和相位响应。但是,上述工作仅提供两种可切换的状态,这限制了全息通道的信息容量。针对于此,2021 年,Choi 等通过将单独设计的控制光源应用于非晶态 GST 超表面,创建了非晶态和晶态 GST 单元结构的共存态,将 GST 超表面的全息显示扩展为三个通道。此外,还提出了一种加密方法,该技术仅在混合状态下生成解密的视觉信息,而在其余状态下提供加密信息。 图4 基于 GST 相变特性的可切换自旋霍尔效应、涡旋光束产生和全息术 另外一种相变材料 VO2 会在热、光、电等刺激下,实现从绝缘体到金属的转变,其变化的临界温度约为 67 ℃。2021 年,Tripathi 等提出了一种米氏共振超表面,可通过薄 VO2 层的绝缘体到金属过渡进行调谐,在通信波段下具有可逆特性。证明了 VO2的两种可调谐功能:超表面的透射率可调;近完美吸收的光谱可调。并且这两种功能都伴随着一种类似滞后的行为,可以利用这种行为产生多种记忆效应,为基于全介质共振超表面的纳米级光开关、调制器、神经形态光子学和传感器铺平了道路。2019 年,Liu等利用两组谐振单元结构:无源的 C 形 SRR 和集成VO2 的有源 C 形 SRR 组成一个超表面,通过升高温度,改变单元结构的响应特性,在太赫兹波段实现了全息图像的切换。2021 年,Yang 等通过在金膜上的 VO2 薄膜顶部使用金纳米棒阵列实现可切换反射式超表面,在可见光波段展示了多种功能:偏振转换、光束控制、傅里叶全息图和菲涅尔全息图。 ▍化学反应调制 近期研究人员发现特殊的化学反应也可被用来控制超表面,实现全息图的动态调控,但这通常需要较长的反应时间,限制了该方法的实际应用前景。2018 年,Li 等通过受控的化学反应在可见光波段独立操纵可寻址的亚波长像素,实现了动态超表面全息图像的重建,如图 5 所示。该超表面由 Mg 独特的氢化/脱氢特性实现的动态像素组成,Mg 不仅在可见光波段下具有优异的等离子体特性,在氢气负载时还可以经历从金属到 电 介 质 的 相 变 , 形 成 氢 化镁(MgH2),并且这种相变是可逆的。同样地,基于Mg 独特的氢化/脱氢特性,2019 年,Li 等通过使用复合催化镁-金-纳米天线的氢化/脱氢过程,展示了一种可切换的超表面全息图。该超表面由具有固定散射相位的纯金 V 形天线和通过氢化/脱氢具有可切换散射相位的复合镁-金 V 形天线组成,并开发了一种基于 Fidoc 方法的迭代全息图算法来建立量化的相位关系,允许选定动态像素的可切换散射相位来重建图像。进一步地,2020 年,Li 等展示了一种双功能主动式超表面,空间排列的阶梯式纳米像素可以精确控制光的振幅和相位,并基于 Mg 可逆的氢化/脱氢特性实现了动态全息和动态彩色打印之间的双功能切换。 图5 基于 Mg 氢化/脱氢特性的动态超表面全息 ▍机械调制 机械拉伸和机械施压的方法也被证明可以用作主动式超表面全息的调控方式。2017 年,Malek 等利用可拉伸的聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane,PDMS) 基板上的金纳米棒,实现了多个不同全息图像之间的动态切换显示,如图 6 所示。超表面的各向同性拉伸改变了位置相关的相位不连续性,并重新编码了产生的波前,开辟了可拉伸超表面全息图作为用于动态可重构光通信和平面显示设备的可能性,还证实了可拉伸基板上的超表面可以作为各种可重构光学设备的平台。2020 年,Kim 等将超表面和液晶(LC) 结合,利用 LC 可以响应表面压力的特性编码不同的全息图。在没有压力的情况下,该器件展示了为 LCP 编码的自行车全息图,这是因为穿过 LC 单元的入射 LCP 的偏振没有变化 (相位延迟量约等于 0)。当通过手指触摸施加表面压力时,LC 分子重新定向改变了相位延迟量,LCP 转换为 RCP,进而实现了全息图像从自行车到火箭的切换。 在微波波段,研究人员提出了一种机械旋转控制超表面的方法。2022 年,Xu 等通过步进电机和传动齿轮来控制单个单元结构旋转,实现圆偏振电磁波入射条件下的几何相位连续控制。通过使用相同的超表面演示了超透镜聚焦位置的调谐、涡旋光拓扑荷值的改变和可切换的全息图像重建。 图6 基于可拉伸PDMS 基底的全息图像动态切换显示 ▍介质环境调制 基于超表面所处介质的环境折射率不同,可以分别设计其响应特性,进而实现动态全息图像的灵活切换。2021 年,Xiong 等提出了一种实现全息模拟过程的通用数学方法,称为相位矩阵变换。基于该方法,设计了动态超表面全息图,该图在空气中显示“鸟”图像,以及在环境变为石油时显示“鱼”图像。此外,该超表面还引入波长作为设计彩色全息模仿装置的额外自由度,当环境发生变化时,710 nm 波长的“D”和 890 nm 波长的“C”彩色全息图像会自动分别变成“I”和“U”。 该超表面基于 MIM 作为单元结构,激发的局域表面等离子体激元模式对周围环境非常敏感,如图 7 所示,将样品浸入油中后,由于周围介质的折射率增加,红色箭头标记的两个共振模式将向更长的波长移动。从工作波长 800 nm 处的模拟电场强度 (蓝色虚线) 可以看出,空气中的模式是两个纳米棒之间的耦合模式,而在油中仅是右边纳米棒的电偶极子,导致两个不同的相位响应分别等于零 (空气中) 和(油中)。基于此原理,找到了在相位矩阵转换过程中其他的映射关系。类似地,2021 年,Cai 等通过改变介质环境 (水和空气) 的折射率,改变 TiO2 纳米柱在空气和水中不同的响应特性,进而独立地编码全息图,演示了可切换全息图像的偏振不敏感主动式超表面。2022 年,Yang 等将超表面引入到光波导集成中,硅纳米天线沿着片上光波传播路径在 Si3N4 波导和二氧化硅衬底上编码排列,在片上空间投影了具有多个信息通道的三维全息图。此外,通过水中沉浸式调谐方案,实现了片上实时动态调谐的双通道任意编码全息图像显示。 图7 基于对环境敏感的MIM 结构的可切换超表面全息术 ▍电调制 LC 具有独特的光学双折射特性,即寻常光折射率 和 非 常 光 折 射 率 存 在 差 异 , 这 种 差 异 通 常在0.2~0.4 左右。通过施加电场,LC 可以在液态和固态之间切换,从而产生可控的双折射现象,用于主动式超表面调谐。2020 年,Kim 等将偏振复用超表面和 LC 结合,实现了可以电切换的动态超表面全息显示。基于电刺激 LC 层使相位延迟量改变的原理,利用不同的电压值可以动态切换为 LCP 和 RCP 编码的两个全息图像。2021 年,Hu 等通过将几何相位超表面与 LC 集成,展示了一种用于可见光范围内可寻址器件的可电调偏振相关超表面。底层超表面由包裹在 PMMA 中的几何相位单元结构组成,与直接包裹LC 相比,具有更高的折射率对比度和器件效率。上层液晶层束缚在两个对准层中间,通过电调节来控制 LC 分子的取向,可以实现具有不同相位延迟的可变波片功能,进而利用线偏振器来实现两个正交圆偏振光通道的连续强度调谐。演示了可电调单色和多色可切换超表面全息图以及动态变焦超透镜,还实现了电寻址动态超表面。除此之外,研究人员通过电调的方式来改变超表面周围环境的折射率也实现了主动式超表面全息。2020 年,Li 等展示了用于光投影显示的电控数字超表面设备,如图 8 所示。每个像素包含排列在矩形晶格中的金纳米棒,在一些预选的 (奇数或偶数) 列中,纳米棒覆盖有介电材料。随后将样品封装在 LC 中。通过在毫秒时间尺度上经由LC 电控制相邻奇数列和偶数列之间的相对相位,每个像素可以被设计成在远场产生特定的动态全息图案。基于类似的原理,2021 年,Yu 等演示了用于动态偏振转换的可电调谐超表面,实现了对于线偏振光 90°的快速可逆偏振旋转。此外,还展示了动态全息和可独立控制的多像素的全息图像生成。除了基于 LC 实现电调,2021 年,Kaissner 等提出了一种在可见光频率下电化学控制的超表面,使用导电聚合物聚苯胺 (Polyaniline,PANI) 局部共轭在金纳米棒上,以主动控制超表面的相位分布。通过控制电化学过程中亚波长尺寸的 PANI 生长,可以原位监测和优化超表面的光学响应,实现了具有良好开关性能的可切换全息图像重建。 不同于可见光波段,研究人员在微波波段和THz 波段提出了可编程单元结构的全息图像重建方案。2017 年,Li 等通过 1 位编码超表面在微波波段实现了可编程的全息图像重建。在超表面的单元结构中加入一个二极管,通过在二极管上施加不同的偏置电压来控制每个单元结构的散射。结合现场可编程门阵列 (field programmable gate array,FPGA) 可以实时生成多个所需的全息图像。2020 年,Venkatesh 等展示了基于 CMOS 的芯片阵列来创建大规模可编程超表面,开发了一个由 576 个单元结构组成的 2×2 芯片阵列,每个单元结构都可单独寻址,并可在 GHz 速度下通过 8 位控制进行数字编程。该超表面可以实现振幅和相位调制、约 25 dB 的振幅调制深度、±30°的动态波束生成、多波束生成和太赫兹波段的可编程全息投影。 图8 用于光投影显示的电控数字超表面设备 ▍激光调制和热调制 通过激光作用于超表面也可实现主动式可重构的全息图像重建。2015 年,Li 等通过单个飞秒激光脉冲还原氧化石墨烯进行亚波长级多级光学折射率调制,实现了一次写入的全息图,用于广角和全彩色 3D 图像,如图 9 所示。由于飞秒激光脉冲没有累积加热效应,因此无热光还原反应可以限制在衍射限制区域内。此外,通过精确控制激光辐照度,可以获得氧化石墨烯的可逆还原和氧化,实现主动式调节超表面全息。 热收缩形状记忆聚合物 (Shape memory polymers,SMPs) 是一种在热、光、磁或超声波等外部刺激下可以改变其形状的刺激响应材料。基于此,2021 年,Wang 等利用空间调制飞秒激光脉冲在 SMPs 上制作了四阶振幅调制超表面,通过加热触发 SMPs 的形状恢复使得微坑像素收缩,改变像素对光的透过率,进而改变超表面所编码的振幅分布,实现全息图像的动态切换和信息解密,实验展示了全息图像从“愤怒的脸”到“笑脸”的变化以及从原始图像“888”对“790”的解密。 图9 通过飞秒激光脉冲还原氧化石墨烯进行折射率调制以实现宽视场角3D 全息图 |