全息顯示能夠直接重建目標場(chǎng)景中物體的物理光波，使得人眼能夠最自然地觀(guān)察顯示信息，因此被認為是終極的顯示技術(shù)方案之一。全息顯示中，空間光調制器(SLM)是最核心的器件，對照明光進(jìn)行調控。然而，現有的商用空間光調制器存在著(zhù)像素尺寸過(guò)大、調控能力有限、衍射噪聲顯著(zhù)等問(wèn)題，成為了全息顯示進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸，亟需引入一種新穎的光波前調控器件。作為新型微納光學(xué)元件，超表面具有亞波長(cháng)的人工結構，能夠與光產(chǎn)生強烈的相互作用，從而對光波的振幅、相位、偏振、波矢等參量進(jìn)行調控，實(shí)現傳統光學(xué)元器件無(wú)法完成的特定任務(wù)。將其與具有高冗余性與高魯棒性的全息術(shù)相結合，進(jìn)一步增加了光學(xué)超表面的自由度與靈活性，拓展了應用潛力。學(xué)者們利用偏振、角動(dòng)量、角度等參量不斷增加復用維度，大幅提升了超表面全息的信息存儲容量和密度。超表面全息具有諸多優(yōu)勢，盡管已經(jīng)有各種嘗試，但其百納米級的特征尺寸增加了制備加工難度，因而如何利用超表面元件實(shí)現動(dòng)態(tài)可調依然是一個(gè)重大挑戰。針對彩色全息顯示，要求超表面元件能夠對不同頻率的入射光進(jìn)行特異的調制，進(jìn)一步增加實(shí)現了難度。
為解決上述問(wèn)題，北京理工大學(xué)王涌天教授團隊的黃玲玲教授、李昕副研究員與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的肖淑敏教授進(jìn)行合作，借鑒信息通信領(lǐng)域的碼分復用技術(shù)，并在此基礎上結合各向異性超表面，提出了多波長(cháng)碼分復用超表面全息。根據碼分復用技術(shù)，利用選定的基礎碼為“鑰匙”對目標信息進(jìn)行混疊編碼與解碼讀出，研究團隊對全息中的參考光信息進(jìn)行“改造”，并引入了多波長(cháng)信息通道，以不同的編碼參考光與目標場(chǎng)景的光波信息共同編碼到一個(gè)超表面全息元件上，從而實(shí)現超多通道的信息記錄與重建。
圖1 基于碼分復用超表面的彩色全息視頻顯示。(a)原理示意，(b)編碼照明信息，(c)和(d)目標重建場(chǎng)景。
研究團隊深入分析彩色碼分復用機制，充分挖掘全息波前編碼特性，使非正交彩色編碼參考光引入碼分復用超表面全息中。利用提出的多通道迭代合成優(yōu)化算法，對紅綠藍三組圖像信息進(jìn)行編碼。針對彩色顯示在可見(jiàn)光波段的情況，研究團隊設計了TiO2的納米立柱，通過(guò)各項異性調控實(shí)現額外提供水平與豎直雙偏振通道。通過(guò)掃描優(yōu)化微納結構不同幾何參數的電磁響應，從而生成加工數據，并利用電子束曝光(EBL)與反應離子束刻蝕(RIE)制備出所需的樣品。
圖2 彩色碼分復用超表面結構與實(shí)驗光路。(a)和(b)樣品掃描電鏡顯微成像圖，(c)實(shí)驗光路示意。
在實(shí)驗驗證中，團隊成功將48個(gè)獨立通道信息編碼到一片超表面全息元件上，各個(gè)通道信息只有通過(guò)特定偏振下對應的編碼照明才能被讀出。研究團隊搭建了基于數字微鏡器件(DMD)的時(shí)分復用彩色照明系統，通過(guò)時(shí)序地在DMD上加載信息，配合光源的照明波長(cháng)的時(shí)序改變，逐幀逐波長(cháng)地將存儲信息解碼出來(lái)，進(jìn)而成功實(shí)現彩色全息視頻顯示。該方法展示了高信息密度、高兼容性、高靈活性以及高安全性，在信息顯示、數據存儲、光學(xué)加密、多功能動(dòng)態(tài)光學(xué)調控等領(lǐng)域應用前景廣泛。
圖3 基于碼分復用超表面的彩色全息視頻顯示實(shí)驗重建結果
該項研究成果以“Time-sequential color code division multiplexing holographic display with metasurface”為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances（光電進(jìn)展），并被選為2023年第8期封面文章。
研究團隊簡(jiǎn)介
該聯(lián)合研究團隊來(lái)自北京理工大學(xué)光電學(xué)院北京市混合現實(shí)與新型顯示工程技術(shù)中心以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）微納米光子學(xué)實(shí)驗室，主要研究方向包括新型微納光學(xué)元器件物理機制及功能應用、光場(chǎng)調控、衍射光學(xué)、全息術(shù)、信息光學(xué)、新型顯示原理與器件等領(lǐng)域方面以及納米光電功能材料及其器件等。肖淑敏教授、王涌天教授和黃玲玲教授為該研究工作的通信作者，李昕副研究員為本論文的第一作者。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項目(2021YFA1401200)、北京市卓越青年科學(xué)家項目(BJJWZYJH01201910007022)、國家自然科學(xué)基金(U21A20140、92050117)、北京市前沿新材料技術(shù)創(chuàng )新項目(Z211100004821009)以及北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計劃(XSQD-201904005)的支持。
北京理工大學(xué)光電學(xué)院北京市混合現實(shí)與新型顯示工程技術(shù)中心微納光子與先進(jìn)顯示實(shí)驗室
哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）微納米光子學(xué)實(shí)驗室
相關(guān)論文
Li X, Chen QM, Zhang X, Zhao RZ, Xiao SM et al. Time-sequential color code division multiplexing holographic display with metasurface. Opto-Electron Adv 6, 220060 (2023).
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