Высокоэффективная векторная голография на основе сверхтонких метаповерхностей
Традиционные голографические системы требуют громоздких оптических установок и интерференционных экспериментов, что делает их непрактичными для компактных или интегрированных устройств. Вычислительные методы, такие как алгоритм Герхберга–Сакстона (GS), упростили проектирование голограмм, исключив необходимость в физических интерференционных картинах, но эти подходы позволяют получать скалярные голограммы с равномерной поляризацией, что ограничивает объём кодируемой информации. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи из Гонконгского университета науки и технологий, Университета Фудань и Гонконгского университета разработали универсальную стратегию векторной голографии — голограмм, кодирующих как интенсивность, так и поляризацию, с использованием сверхтонких метаповерхностей. Как сообщается в журнале Advanced Photonics, этот метод работает при произвольной поляризации падающего света и позволяет генерировать сложные изображения с пространственно меняющимися состояниями поляризации, что значительно расширяет информационную емкость голограмм.
Рис. 1. Экспериментальные демонстрации различных векторных голограмм. Целевые голографические изображения для реконструкции: (a) векторные часы; (g) векторный цветок; (m) векторная летящая птица. Сегменты и круги обозначают локальные состояния поляризации изображений. На панелях (b), (h) и (n) изображены экспериментально наблюдаемые паттерны при освещении трёх изготовленных образцов метаголограмм светом с левой круговой поляризацией (LCP) с длиной волны 1064 нм соответственно. На панелях (c)–(f), (il) и (o)–(r) изображены паттерны, прошедшие поляризационную фильтрацию с помощью вращающегося поляризатора, расположенного под разными углами перед устройством с зарядовой связью, при освещении трёх образцов метаголограмм светом с LCP с длиной волны 1064 нм соответственно. Источник: T. Liu, C. Dai, D. Wang и др., doi 10.1117/1.AP.7.5.056004.
Учёные достигли этого, объединив алгоритм GS с методом волнового разложения для расчета рассеивающих свойств, необходимых для каждого метаатома, строительного блока метаповерхности. Эти метаатомы, основанные на структуре металл-изолятор-металл, были спроектированы так, чтобы контролировать как фазовые, так и поляризационные преобразования.
Регулируя геометрические параметры и углы поворота, физики добились точного контроля фаз отражения и состояний поляризации, используя как структурные резонансы, так и фазу Панчаратнама–Берри. Это позволяет проектировать сверхтонкие (толщиной около четверти рабочей длины волны) и компактные метаповерхности с размерами образцов менее 200 × 200 мкм², что делает их идеальными для интеграции в чип.
Рис. 2. Формирование изображений на кристалле с помощью высокоэффективных векторных метаголограмм. Автор: Ч. Дай, Университет Фудань; Д. Ван, Гонконгский университет науки и технологий.
Метаповерхности были изготовлены с помощью электронно-лучевой литографии и протестированы в ближнем инфракрасном свете с длиной волны 1064 нм. Были созданы две серии векторных голограмм: одну с вращательной симметрией в качестве эталона, а другую — со сложными асимметричными узорами, включая часы, цветок и летящую птицу.
Каждое изображение отображало различные состояния поляризации в разных областях, и при просмотре через вращающийся поляризатор узоры динамически меняются, фактически "рассказывая истории" по мере появления или исчезновения различных частей. Эта особенность предполагает потенциальное применение в оптическом шифровании и борьбе с подделками. Важно отметить, что метаповерхности достигли высокой эффективности : одно устройство достигло почти 68%, что превосходит показатели предыдущих систем векторной голографии.
