北京理工大学研究团队研发基于超表面的多通道全息显示技术

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基于超表面的全息术在光学显示/储存方面的前景广阔

（映维网 2018年12月11日）全息术是一种强大的工具，可以重建光的波前，并结合振幅，相位，偏振，波矢和频率的基波特性。目前，市场对智能多路复用技术（多信号集成）和超表面设计结合的需要非常高，因为行业正在利用这种超表面全息图来探索如何设计信息存储系统和增强光学加密安全性。

与传统的方法相比，基于超表面的全息术在光学显示/储存方面的前景广阔，因为其具备巨大的信息承载能力与宽视场。为了实现超表面全息图，我们需要在能够于超短距离内实现强烈光物相互作用（等离子相互作用）的超薄纳米结构上编码全息图。超表面能够以自然界中不存在的方式控制光波和声波，从而提供灵活且紧凑的平台，并实现具备超出液晶或光学光刻胶极限的高维信息的各种矢量全息图。

在实现所需光学性质的现有技术中，偏振复用是一种诱人的方法。与这种平台相关的强串扰可以通过双折射超表面（具有两个不同折射率的二维表面）进行解决。双折射超表面由用于优化偏振复用的每晶胞单个超原子组成。

尽管如此，我们仍需研究所有偏振通道的全部容量，从而改善超表面全息图和全息光学设备内的信息存储容量。在最近的一项研究中，北京理工大学的赵睿哲及其同事展示了一种为动态显示和高安全性应用实现多通道矢量全息术的新方法。他们在这项研究中探索了双折射超表面来控制偏振通道并通过旋转处理非常不同的信息。通过选择输入/输出偏振状态的组合，研究人员可以将重建的矢量图像从一种形式切换到另一种可以忽略串扰的形式。相关研究结果现已发表在《Light：Science＆Applications》期刊之中。

双通道偏振和角多路复用全息图正呈现一个卡通老虎，卡通雪人，茶壶与茶杯。

为支持动态矢量全息显示与加密过程，科学家首先推导出一种多路复用算法。通过采用正确的偏振键值，接收器可以获取所传递的确切信息。通过增加这种图像的复杂性，科学家能够实现更高的灵活性，以及获得重建矢量图像特性的详细分析。由于包含超表面的设备尺寸紧凑，它可以更轻松地传输编码信息。

为了光刻所述的设计，赵等人利用等离子体蚀刻在玻璃基板上设计了几个介电质硅超表面，然后进行电子束光刻。表面由1000×1000纳米鳍（nanofin）组成，即具备通过表面区域增强和液体-固体相互作用来提升热传递能力的纳米结构。研究人员探索了两种多路偏振通道方案：使用双折射电介质超表面，或不使用双折射电介质超表面来实现全息图。

a）位于玻璃基板上的不规则硅纳米鳍示意图。超表面将由这种晶胞的周期性排列组成；b-e）模拟结果的振幅和相位

研究人员将硅纳米鳍层叠在玻璃基板上来设计双折射介电质量超表面。为了实现所需的相移，他们采用了严格耦合波分析（RCWA）方法来进行二维参数优化。RCWA半分析方法通常应用于计算电磁学，主要是解决周期性介电质结构的散射问题。纳米鳍的长度L和宽度W介于80nm至280nm的范围内，高度H是600nm，周长P则为400nm。科学家精心选择了所述值以确保输出光的相位消除不希望出现的衍射序列。为了模拟，研究人员将纳米鳍层叠于玻璃基板上，并经受800nm固定波长的入射光。模拟结果表明，对于大多数具有不同横截面的纳米鳍片而言，其透射振幅超过90％。科学家们利用研究中得出的方程式来确定纳米鳍的定向角，从而用实验方法来演示多通道偏振复用。

超表曲面样品的实验装置和扫描电子显微镜图像

对于超表面全息图的光学表征，赵等人采用了一种实验装置。他们仔细选择物镜的放大率和数值孔径以采集样品所有的衍射光，并在傅立叶平面中重建全息图像。科学家利用第二个物镜来在CCD相机上捕捉傅立叶平面。为了表征工程化表面，他们同时分别观察了旋转或不旋转样品的两个扫描电子显微镜图像。

作为一个原理论证，赵等人利用超表面构建了卡通老虎和雪人的全息图像。当用x偏振光照射时，它们能够以高保真度和高分辨率呈现。当入射光切换到y偏振时，重建的图像变为茶壶和茶杯。在实验中，设置仅有两个偏振通道可用，可通过旋转样品后面的偏振器来重建两对全息图像并令其同时消失。实验结果与模拟结果一致，证实了研究的基本设计原则。全息图的净衍射效率定义为单个重建图像的强度与入射光的功率之比。

多通道偏振复用全息图

利用相同的设计原理，科学家能够设计和构建具有12个通道的更复杂的多路复用功能。矢量图像可视为全息重建，其中输入/输出偏振组合如所述技术开发。这项技术同时可用于在相同的空间位置加密不同图像。在加密中，这种叠加可以在重建图像之上传达不同的含义。例如，科学家们选择了具有六个不同表面的的骰子图像，而通过输入/输出偏振状态的不同组合，编码了多达六个图像以供查看。

相关论文：Multichannel vectorial holographic display and encryption

对于研究中推导出的多路复用算法，其可以辅助动态矢量全息显示，以及在双折射电介质表面上编码的图像的加密。通过采用正确的偏振键值，接收器可以获得所传递的确切信息。通过增加图像的复杂性，并将加密介质改变为二氧化钛或氮化硅，研究人员可以实现更高的灵活性。正确的偏振组合可以保证信息的安全，在解密过程中优化复杂度。

多通道全息图能够维持相对大的工作带宽，因为可以距离800nm波长观察重建图像。这项研究建立了一种设计和工程技术，结合了简单纳米鳍的双折射特性，以及旋转矩阵的超设计自由度和智能多路复用算法。结果实现了高维多通道偏振复用全息图，偏振通道多达12个。通过这种方式，有效的基光加密和集成式多通道全息显示技术可以为高安全性应用中的先进通信铺平道路。