显示专题 | 分米级深度、偏振可调、彩色3D超表面全息术（Nature Communications）
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科技
2024-09-27 10:59
中国香港
Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography超表面是一种由纳米尺度的结构单元组成的二维材料，可以调控光的传播方向、相位、振幅和偏振状态等。近年来，超表面技术的发展为全息领域带来了新的机遇。大深度3D超表面全息术不仅能提高信息存储量，还有利于区分物体的相对空间关系，在存储和医学诊断等领域具有重要的应用价值。尽管基于菲涅耳衍射理论的方法可以重构物体的真实深度信息，但最大深度仅为2毫米。当前，如何实现大深度3D超表面全息重构，以及如何在实现大深度3D超表面全息重构的同时实现偏振态的独立控制，从而增加信息量，都是学术挑战。
鉴于此，北京航空航天大学、上海技术物理研究所、皇家墨尔本理工大学合作提出了一种基于角谱衍射理论的3D超表面全息术，解决了现有3D超表面全息术难以同时实现大深度重构和偏振态独立控制的问题。所提的3D超表面全息术的概念如图1所示，实验用超表面全息图将深度范围扩展了47.5倍，在可见光波段实现了深度为0.95分米的偏振3D全息重建。研究成果近日发表在国际顶刊《Nature Communications》上。
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图1. 3D超表面全息术的概念。a 3D超表面全息重建示意；b 超表面设计原理。
技术实现上，如图2所示，对于两个不同的3D物体I和II，基于角谱衍射理论分别计算其初始复振幅信息TLCP和TRCP，得到超表面全息图I和II。所得到的超表面全息图I和II分别用于左旋圆偏光和右旋圆偏光全息重建。在复振幅计算过程中，由于光场信息需要进行离散化采样处理，欠采样操作会导致频谱混叠，从而影响大深度全息重建。为避免大深度3D超表面全息重建过程中的频谱混叠，该研究对传递函数进行了限制。为了减少相邻相位之间的干扰，对超表面全息图I和II进行逐行交替插入，从而编码成一张合成全息图T，然后利用误差扩散算法对合成全息图的相位进行优化，最终得到超表面结构所需要的相位信息。所设计的超表面是基于几何相位控制的原理，对每个结构单元的相位进行独立控制。超表面单元由制备在石英衬底上的矩形非晶硅纳米棒组成，其中，奇数行对左旋圆偏光敏感，偶数行对右旋圆偏光敏感，从而实现对不同偏振态的独立控制。
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为验证这一概念，该研究制备了分辨率为5000×5000的超表面结构。3D超表面全息重建效果如图3所示。选用两个字母“N”和“U”作为左旋圆偏振状态对应的被记录3D物体I，另选两个字母“O”和“C”作为右旋圆偏振状态对应的被记录3D物体II。其中，字母“N”和“O”的重建距离均为3mm，字母“C”和“U”的重建距离均为70mm。当入射光束为左旋圆偏光时，在衍射距离为3mm和70mm处，字母“N”和“U”分别聚焦；当入射光束为右旋圆偏光时，在衍射距离3mm和70mm处，字母“O”和“C”分别聚焦，如图3a所示。当重建距离为3mm时，获取到的字母“N”和“O”的强度分布如图3b所示。当进一步改变入射光的偏振态时，观察到了不同偏振状态下的重建结果，如图3c所示。
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图3. 3D超表面全息重建结果。a 大深度偏振可调的3D超表面全息实验结果；b 重建距离为3 mm时的强度分布结果；c 重建距离为3 mm时不同偏振状态下的重建结果。
为进一步验证所提出的大深度3D超表面全息术的优势，使用所提方法与传统基于菲涅尔衍射理论的超表面全息图算法分别进行仿真重建，对比结果如图4所示。对字母“N”和“U”设置不同的深度，随着深度的增加，所提方法能够在分米级深度实现正确重建，而传统算法的结果受衍射串扰的影响严重。此外，由于超表面结构具有宽光谱响应特性，所提出的3D超表面全息术在可见光范围内实现了不同颜色的偏振3D全息重建。
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图4 大深度彩色3D超表面全息重建。a 大深度超表面全息仿真结果；b 彩色超表面全息重建示意图；c 超表面结构在不同波长下的透过率；d 彩色3D超表面全息重建结果。
技术小结：该研究提出了一种具有大深度、高信息容量和偏振可调功能的超表面全息术。通过将角谱衍射理论引入到超表面全息图的编码中，在可见光范围内实现了大深度偏振3D超表面全息重建，且不同偏振态的再现像之间没有衍射串扰。该研究有望应用于数据存储、信息安全和显示等领域。
论文信息：Di Wang†, Yi-Long Li†, Xin-Ru Zheng, Ruo-Nan Ji*, Xin Xie, Kun Song, Fan-Chuan Lin, Nan-Nan Li, Zhao Jiang, Chao Liu, Yi-Wei Zheng, Shao-Wei Wang, Wei Lu, Bao-Hua Jia, Qiong-Hua Wang*, Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography, Nature Communications, 15, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52267-9*该技术分享所涉及文字及图片源于发表论文和网络公开素材,不做任何商业用途。上期回顾：计算专题 | 成像应用中电磁逆散射问题的隐式解法（ECCV）欢迎点击查阅
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