撰稿| 由课题组供稿
导读
近日，暨南大学纳米光子学研究院包燕军教授、李宝军教授与新加坡国立大学仇成伟教授等合作，提出了基于点光源的超构表面全息成像方法，打破了传统平面波入射下几何相位超构表面全息图像相关联的限制，得到了不同自旋态偏振，不同波长入射下的独立全息图像，通过移动点光源位置动态生成了连续独立全息图像。该工作以“Point-Source Geometric Metasurface Holography”为题发表在Nano Letters上。
在光学中，几何相位是一类与光场偏振态改变有关的相位，具有自旋相关特性。当左旋光或者右旋光入射到结构上，探测其相反的自旋态时，结构会附加一个与其转角成2倍关系的相位，这就是几何相位。由于其不依赖于具体结构形貌和入射波长，这种简单的相位调控被广泛应用于超构表面结构领域，如全息成像。但另一方面，几何相位的这种特性使得在平面波入射下（图1a）不同入射光产生的全息图像无法独立，具有相关联性。具体来说，不同自旋态下的全息图关于中心反演对称（图1b，第一列），不同波长下全息图像尺寸随波长变化时图像不变（图1b，第二列），不同入射角度下全息图像整体平移（图1b，第三列）。虽然已有一些方法通过入射不同的波长和角度，选择特定区域能实现独立全息图像（图1b，第四列），但其本质并未打破这种关联特性。
在本工作中，他们提出了利用点光源作为照明光源，并结合超构表面结构实现全息成像。这不仅是第一次将点光源应用于超构表面全息领域，更带来了意想不到的优点。他们采用一个小孔（直径1微米）作为点光源，放置在超构表面的一侧（图1c）。可以看到与平面波不同的是，点光源在超构表面平面的相位是位置和波长依赖的。结合超构表面的几何相位，当移动点光源的位置，改变点光源的波长和左右旋偏振态时，其在超构表面上的相位也发生了改变。因此，通过一种改进的Gerchberg-Saxton算法（图1d）总可以找到一种结构转角分布，使这种超构表面在不同的外在光条件下具有完全不同的相位分布，实现独立的全息图像。图3-5分别为实验演示了不同自旋态（图3），不同点光源位置（图4），以及不同波长下（图5）生成的独立全息图像。
值得一提的是，点光源的这种打破关联性的特性在前期的工作（Bao Y. et.al, Science Advances, 6: eaba8761, 2020）中已有初步探讨。在此工作中，包燕军等将量子点与超构表面结合实现了左右旋光束任意角度独立方向的出射。作为对比，在平面波入射下，几何超构表面结构的左右旋光的出射方向角度必对称。
该工作首次将点光源用于超构表面全息的研究中，打破了传统平面波激发不同入射条件下全息图像的关联性，并为量子点，荧光分子等其它点光源与超构表面的相结合来实现单光子全息、荧光全息等提供重要参考价值。
图1：平面波和点光源激发下的超构表面全息对比。(a)平面波激发下的超构表面全息示意图。平面波照射到超构表面上的复光场具有恒定的（垂直入射）或者线性梯度的(斜入射)相位分布。 (b) 平面波入射下全息图像相关联特性示意图。不同自旋态下的全息图关于中心反演对称（第一列），不同波长下全息图像尺寸随波长变化但图像不变（第二列），不同入射角度下全息图像整体平移（第三列）。通过入射不同的波长和角度，选择特定区域实现独立全息图像（第四列，其本质并未打破这种关联特性）。(c) 点光源激发下的超构表面全息示意图。点光源照射到超构表面上的复光场具有偏振，位置和波长依赖的相位分布。(d)计算在点光源入射下生成N副独立全息图像的超构表面转角流程图。
图2：超构表面单元设计。(a-b)超构表面单元的俯视图(a)和侧视图(b)。(c) 优化之后的单元尺寸能够在整个可见光波段具有较好的偏振转换效率。(d) 超构表面电镜图。(e)实验测量光路图。
图3：点光源激发下的自旋退耦合全息成像。(a)计算得到的点光源下自旋退耦合的全息图。(b) 点光源激发下的自旋退耦合生成独立全息成像示意图。(c) 模拟和实验结果。
图4：通过移动点光源位置动态生成独立全息图像。 (a)计算得到的全息图。(b)示意图。(c) 模拟和实验结果。
图5：点光源激发下全彩全息图。 (a)计算得到的全息图。(b)示意图。(c) 红绿蓝三个波长下的模拟和实验结果。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04485
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