非交错超构表面实现全偏振三维矢量全息

撰稿|由课题组供稿

近日，湖南大学段辉高教授团队基于非交错单元的超构表面首次实现了全偏振态三维矢量全息，为现有的矢量全息技术拓展了新的空间维度。相关研究成果以“Non-interleaved Metasurface for Full-Polarization Three-Dimensional Vectorial Holography”为题，于2022年8月7日在线发表于光学领域权威期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》上。湖南大学博士后杨辉和博士生姜玉婷为论文的共同第一作者，湖南大学胡跃强副教授和段辉高教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技创新领军人才项目、湖南省自然科学基金、湖南大学优秀青年骨干教师计划项目的支持。

超构表面是一种由亚波长散射体周期或准周期阵列组成的二维超材料，通过对散射体结构参数和排布方式的优化设计，实现对电磁波的振幅、相位、频率以及偏振等物理维度的有效调控。超构表面在电磁波操纵方面具有传统材料无法比拟的优势，为集成化平面光学器件的发展提供平台。超构表面的发展也革新了传统的全息技术，基于超构表面可以获得高分辨率、超薄厚度、高性能的全息图像。

超表面全偏振态矢量全息技术可以在平面内任意调控全息图像的偏振态分布。相比于具有单一偏振态分布的标量全息，其额外的偏振通道可以有效增加图像显示或信息存储容量，在多通道显示和光学信息加密等方面具有广阔的应用前景，受到了科研工作者的广泛关注。

然而，现阶段实现的全偏振态矢量全息通常基于结构交错复用的设计原理，超表面由对应不同偏振功能的几种单元结构交叉排布组成。该设计原理从根本上限制了器件的最终效率（每个通道的最大效率为功能数的倒数），同时交错排布的单元会降低器件的像素分辨率、不可避免地引入额外的串扰。此外，现阶段实现的全偏振矢量全息都只能在二维平面内实现偏振矢量的任意调控。这一系列的限制会严重阻碍超构表面全偏振态矢量全息技术的实际应用。

与之前研究者们通常采用的结构交错复用的设计原理不同，在本研究中，提出了一种全新的设计原理，基于非交叉单元的超构表面实现了全偏振态三维矢量全息。文中对比了交错与非交错超构表面实现全偏振态波前调控的设计原理（如图1所示）。由此可见，非交错超构表面可以有效解决交错超构表面引入的效率上限、像素分辨率低和串扰等一系列问题。 

图1. 交错与非交错超构表面实现全偏振态波前调控的设计原理对比图。

展示了非交错超构表面结构实现全偏振态波前调控的设计原理。通过优化设计自旋解耦合的单元结构实现左旋和右旋圆偏振分量的独立调控，然后在工作通道中任意叠加这两个圆偏振分量，从而实现全偏振态（覆盖庞加莱球上任意点）波前调控（如图2所示）。

图2 超构表面结构设计及实现全偏振态波前调控的原理。

图3. 三维全偏振态矢量全息展示。

基于上述原理，研究团队在理论和实验上展示了具有6个独立偏振通道的三维矢量全息（如图3所示）。相比于二维矢量全息，本研究中拓展的空间维度—z轴上不同的距离，为提高信息容量和安全性提供了一个新的自由度。基于此，研究团队展示了一个双重光学加密的平台，首先通过给定的密钥重构出特定z轴距离上的全息图像，并将其作为第二次解密的密钥。然后利用这些密钥提取另一个特定z轴距离的矢量图像，最终获得所传输的信息。

该工作基于非交叉的超构表面提出了一种一般化的全偏振态波前调控设计原理。作为原理的验证，团队设计并展示了一个超表面全偏振态的三维矢量全息，该全息可以将入射线偏振光转化为具有任意空间偏振分布的全息图像。文中实现的矢量全息不仅克服了效率上限、消除了不必要的串扰，而且将之前展示的二维矢量全息拓展到三维。利用拓展的维度，实现了一种高安全性的双重光学加密方案。值得注意的是，该一般化的设计原理可以应用于实现其他的波前调制功能，为平面偏振多功能器件的设计提供新的思路。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200351