研究员开发新光子器件同时控制四个光学自由度，可实现更轻便AR/VR 3D全息显示器
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第一个同时控制所有四个光学自由度的设备
（映维网Nweon 2023年05月09日）哥伦比亚大学的研究人员开发了一种新型集成光子器件：可以将最初限制在光波导中的光转换为自由空间中的任意光学图案的漏波超表面。据介绍，所述器件是第一个同时控制所有四个光学自由度的设备，亦即振幅、相位、偏振椭圆度和偏振方向。
由于所述器件非常薄、透明，并且与光子集成电路（PIC）兼容，所以可以用于光学显示器、LIDAR、光学通信、量子光学和全息显示器等领域。
值得一提的是，实验结果表示，漏波全息图可以同时位移四个不同的图像：两个在器件平面（处于两个正交偏振态），另两个在自由空间的一定距离（处于两个垂直偏振态）。所述功能可用于制作更轻、更舒适的增强现实头显和更逼真的全息3D显示器。
研究人员指出：“我们非常高兴能找到一种桥接自由空间光学和集成光子学的解决方案。这两个平台传统上是由来自不同光学子领域的研究人员进行研究，并产生满足完全不同需求的商业产品。然而，我们的研究指明了创建混合系统的两全其美方法，包括用于塑造光波前的自由空间光学和用于光学数据处理的集成光子学，并可以将其用于解决一系列的新兴应用，例如量子光学、传感器网络、芯片间通信和全息显示器。”
桥接自由空间光学和光子集成
光子集成和自由空间光学接口的关键挑战是将限制在波导内的简单波导模式转换为具有复杂波前的宽自由空间波，反之亦然。团队以过去的研究作为基础，并将设备的功能从控制自由空间光波扩展到控制导波。
具体来说，他们通过使用波导锥将输入波导模式扩展为平板波导模式。研究人员解释道：“我们意识到，平板波导模式可以分解成两个正交的驻波，而这两个驻波让人想起拔弦产生的驻波。所以，我们设计了一个由两组相互偏移亚波长的矩形孔径组成的‘漏波超表面’，以独立控制这两个驻波。”
结果是，每个驻波都转换为具有独立振幅和偏振的表面发射；两个表面发射component合并为一个自由空间波阵面，每个点的振幅、相位和偏振都完全可控。
从量子光学到光通信再到全息3D显示器
团队通过实验证明了多个漏波超表面可以将沿着横截面为一个波长量级的波导传播的波导模式转换为自由空间发射。研究结果包括：
- 漏波超透镜在自由空间中产生焦斑。这种器件将是在PIC芯片之间形成低损耗、高容量自由空间光学链路的理想器件。
- 漏波光学晶格发生器可以产生数百个焦斑，并在自由空间中形成戈姆晶格图案。通常，漏波超表面可以产生复杂的非周期和三维光学晶格来捕获冷原子和分子。这一能力将允许研究人员研究奇异的量子光学现象或进行其他平台不容易实现的量子模拟，并帮助他们能够大幅降低基于原子阵列的量子器件的复杂性、体积和成本。例如，漏波超表面可以直接集成到真空室中，以简化光学系统，从而使原子钟等便携式量子光学应用成为可能。
- 漏波涡流光束发生器，其能够产生具有螺旋形波前的光束。这可以带来使用具有成形波前的光波进行高容量的相互通信。
- 漏波全息图，可以同时位移四个不同的图像：两个在器件平面（处于两个正交偏振态），另两个在自由空间的一定距离（处于两个垂直偏振态）。所述功能可用于制作更轻、更舒适的增强现实头显和更逼真的全息3D显示器。
团队目前的演示是基于近红外波长的简单聚合物氮化硅材料平台。所以，他们计划下一步展示基于更稳健的氮化硅平台的设备。他们同时计划展示高输出效率和在可见波长下工作的设计，而这将更适合量子光学和全息显示器等应用。
