北京理工大學|基於全介質超穎表面實現彩色印刷與全息術

2020-12-28 中國光學工程學會

撰稿 | 魏群爍,郝群

課題標題:

基於全介質超穎表面實現彩色印刷與全息術

完成單位:北京理工大學

概述

北京理工大學光電學院王湧天教授團隊黃玲玲教授等人和德國帕德博恩大學的Thomas Zentgraf教授課題組合作,於2019年11月在雜誌《Nano Letters》上發表了題為Simultaneous Spectral and Spatial Modulation for Color Printing and Holography Using All-Dielectric Metasurfaces的論文,提出了一種可將彩色印刷和全息技術結合在一起的,能夠同時調製光譜響應和出射波前的空間相位分布的全介質超穎表面。該種超穎表面在數據存儲、圖像加密和光學防偽的前沿應用中具有廣闊前景。

研究背景

超穎表面具有在亞波長尺度上調製入射電磁波的相位、振幅和偏振的能力,近年來在全息顯示、幹涉測量、數據存儲等方面獲得了快速的發展。其中,超穎表面全息技術展現出了獨特的優勢,與傳統基於空間光調製器的全息顯示技術相比,該方法具有超薄、緊湊特性,極大地促進了全息器件的微型化,且克服了傳統全息所面臨的諸如存在多級衍射級次串擾、視場角小、帶寬窄、存在孿生像等挑戰,極大地提高了目標圖像的再現質量。

面臨的問題

基於超穎表面光譜響應的彩色印刷是一項極具潛力的技術。然而,普通的超穎表面全息圖在非相干光的照射下通常呈現為隨機的無特徵的圖案,無法用來調製光譜響應。為了充分利用超穎表面具有的優異的波前調控能力和極高的設計自由度,迫切需要一種能夠通過單層超穎表面同時對波前的空間信息和光譜信息進行調製的方法,將微納全息技術與超穎表面彩色印刷技術相結合,進一步提高超穎表面的信息容量。

技術突破

課題組提出的全介質超穎表面具有雙工作模式,其在白光照射下呈現為顯微彩色圖像,而在特定的相干單色雷射照射下則能夠實現極低串擾的高質量彩色全息顯示。該方法使用對應不同結構色光譜響應的多種非晶矽納米天線作為基本組成單元,利用貝裡相位調製原理,僅通過單層超穎表面即可同時且獨立地對光譜響應和空間相位信息進行編碼。該方法通過並行GS算法實現相位恢復,依據彩色印刷模式下的圖案區域劃分並對波長復用全息圖的空間位置進行索引,同時且獨立地獲得針對各個波長的相位分布,顯著提高了全息圖的再現質量,減少了串擾。利用上述算法,該超穎表面實現了彩色印刷和全息技術的結合,在兩種工作模式下都獲得了較好的實驗結果。

圖1 單層全介質超穎表面在非相干光和雷射照明下實現彩色印刷與全息復用雙工作模式

團隊介紹

王湧天,北京理工大學光電學院和計算機學院教授,博導,教育部長江學者特聘教授,北京市混合現實與新型顯示工程技術研究中心主任。長期在技術光學和虛擬實境領域從事教學和科研工作。

黃玲玲,北京理工大學教授,博導。入選教育部青年長江學者、北京市卓越青年科學家。主要從事微納光學功能器件及物理機制研究。

團隊近年來在超穎表面全息領域開展系列創新工作,包括開展了超穎表面偏振/位置/角度等同軸/離軸混合三維全息復用研究(Adv. Mat. 27, 6444, 2015);開展了超穎表面十二個不同偏振通道的矢量全息顯示研究,展示了一種實現高安全性的三重的信息加密維度的新方法(Light. Sci. & Appl. 7:95, 2018);構築了基於級聯超穎表面的偏振和傳播方向加密的全息圖(Nano Lett. 19, 3976-3980, 2019);以及實現定量相關振幅全息(Adv. Opt. Mat. 1901169, 2019)等工作。相關研究成果分別獲得英國皇家物理學會旗下Physics.org,以及美國化學學會ACS旗下Chemical & Engineering,以及Wiley旗下Materials Views China等學術媒體的專欄或亮點新聞報導。

本文出處

Simultaneous Spectral and Spatial Modulation for Color Printing and Holography Using All-Dielectric Metasurfaces, Nano letters 19, 8964-8971 (2019).

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03957

關於PhotoniX

PhotoniX是中國光學工程學會新辦會刊,屬同行評議、開放獲取(OA)高影響力國際期刊。PhotoniX主要報導國內外光學與光子學技術與信息、能源、材料、生命、精密製造、納米、光電子器件、微納米電子等學科交叉融合發展帶來的顛覆性科研成果和最新的工程應用進展。以展現具有前沿性、多學科交叉和衍生性特點的技術為核心,成為推動國際前沿「使能技術」的平臺。

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