导读
近日，湖南大学段辉高教授、胡跃强助理教授与德国海德堡大学刘娜教授等人合作将基于台阶式Fabry-Pérot腔的单片集成滤色片微阵列与全息超构表面纵向堆叠集成，实现了低串扰、大视场角、偏振不依赖的全彩全息。同时，通过巧妙设计，该器件可实现结构色和全息双重显示功能，因此在全息显示、防伪加密等领域具有广泛应用前景。相关成果于9月18日，以“3D-Integrated Metasurfaces for Full-Colour Holography”在线发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》上。论文第一作者是湖南大学胡跃强助理教授、硕士生罗栩豪，通讯作者为段辉高教授。
超构表面通过调整亚波长结构的尺寸、形状和排列，可以实现电磁波的波前几乎任意调控，开辟了设计光学元件的新范式。基于超构表面的器件性能甚至可以超过传统折射元件的性能，因为可以利用亚波长尺度单元阵列实现更极端、任意和多路复用的波前。在基于超构表面的器件的各种优点中，最令人着迷的特性是它们能够实现平面和超薄的光学元件，这提供了通过二维（2D）和三维（3D）集成实现具有多种功能的紧凑型光学器件的机会。例如，可以通过各向异性结构或交错子单元特定地布置在2D平面中以获得波长多路复用器件。通常，表面等离激元共振、Pancharatnam-Berry（PB）相位转换效率选择性、多角度离轴照射和色差会被采用来减少通道之间的串扰。然而，等离激元纳米结构的低效率、严格入射偏振要求、通道之间较大串扰、额外角度自由度和菲涅耳全息图读出的复杂性等缺点导致多波长和宽带光学器件的性能较差。此外，由于空间限制，2D多功能集成具有有限的设计自由度。与2D集成相比，在垂直方向上将具有不同功能的超构表面进行堆叠可以结合每个器件的优点、降低每个器件的加工难度、增加设计自由度并且可以产生新的功能以改善光学器件的集成性，实现更紧凑的多功能光学元件。
在这项工作中，研究团队展示了通过堆叠单片集成的台阶式Fabry-Pérot腔滤色片微阵列和全息超构表面形成3D集成超构表面来实现全彩全息。这种集成器件提供了一种可能的方案来解决目前全色全息的瓶颈问题（例如：大串扰、小视场角、额外的角度自由度和严格的偏振要求）。同时，单片集成的滤色片微阵列实现的结构色印刷功能得以保留，通过特定的算法设计可以将结构色和全息超构表面信息进行解耦，实现两种完全独立的信息。所以，当该器件被非相干的白光光源照射时可以观察到微型彩色图案，而通过红色（R），绿色（G）和蓝色（B）激光照射可以在远场观察到全彩色全息图像。与采用表面等离激元和PB相纳米结构的波长多通道超构表面彩色全息相比，将滤色片微阵列与全息超构表面集成的设计具有若干优点。首先，FP腔滤色片和电介质超构表面确保器件的透射效率和衍射效率高于等离激元型全息。其次，由于FP腔滤色片的窄带共振，不同通道的较小串扰可实现更高质量的全彩全息。第三，与通过基于圆偏光入射的PB相超构表面相比，该器件是偏振无关的。最后，彩色微印刷和全息双重信息赋予了器件新的功能。研究团队利用超构表面轻薄和平面的特性来构建超越传统光学器件性能和功能的集成器件，为展示3D集成超构表面的独特性和优势提供了一个重要实例。3D集成超构表面的概念在未来可以通过在垂直方向上堆叠更多的超构表面（例如偏振器和透镜）得以进一步拓展从而形成其它多功能的紧凑光学系统。据悉，本论文的核心概念已提交了中国发明专利申请。
图1. 全色全息的3D集成超构表面的原理示意图。
（a）3D集成超构表面的原理示意图。滤色片微阵列可以以特定方式排列，并在非相干白光照射下形成微型彩色图案（如图中的质能方程）；当同时照射红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）激光时，全息超构表面在远场中产生三个独立的三原色全息图像分量，以获得任意的全色全息图像（如图中爱因斯坦的肖像）。
（b）3D集成超构表面的三个单元的前视图。滤色片由金属/电介质/金属Fabry-Pérot（MDMFP）腔谐振器组成。当器件被激光照射时，光源只能通过与光源激光器与谐振波长相近的滤光片，随后通过全息超构表面上衍射发光，产生三个独立的远场单色灰度全息图像。
图2. 3D集成超构表面的设计和加工。
（a）3D集成超构表面的单元示意图。
（b）不同尺寸的纳米孔的以蓝色通道归一化的相移。
（c）相位缩放和衍射效率的关系。400nm和800nm PMMA的 B，G和R通道的衍射效率分别为29.0％，20.1％和13.8％以及92.0％，76.1％和57.8％。
（d）滤色片微阵列（单元尺寸：10μm）和全息图表面（结构周期：400nm）的器件的伪彩SEM图像。不同的颜色代表器件中不同的滤色片。比例尺：1μm。
（e）银膜厚度（上下两个银膜的厚度相等）对最大串扰、平均串扰和传输效率的影响。增加银膜厚度可以抑制串扰，但也会降低透射效率。
（f）26nm厚银层（深色线条）和31nm厚银层（浅色线条）滤色片的R（633nm）、G（532nm）和B（450nm）通道的理论和实验透射光谱。
图3. 3D集成超表面表面的概念验证。
（a）用于产生全息图的改进的Gerchberg-Saxton（GS）算法的流程图。FFT是快速傅立叶变换，IFFT是快速傅里叶逆变换。
（b）通过光学显微镜拍摄的具有24×24像素的随机三色彩色微印刷的透射图像：在顶部银层的沉积之前（顶部）和之后（底部）。 比例尺为50 μm。
（c）由数码相机在屏幕上捕获的“奔跑者”的远场全息图像：（0）R + G + B通道的模拟结果; （1）~（7）通过在实验中组合RGB实现七个独立信息组合。
图4.两个用于光学加密的3D集成超构表面:(顶部）模拟和（底部）实验。
（a）具有50×50像素的三色微印刷的质能方程。
（b）爱因斯坦的三色肖像在全息图像。
（c）具有60×60像素的三色微印刷中的麦克斯韦方程。
（d）全息图像中麦克斯韦的混合彩色肖像，展示了RGB通道的组合能力，以获得黄色，紫色和青色。（a）和（c）中的比例尺为50μm。
图5.采用3D集成的超构表面器件的全彩色全息演示。
（a）仿真“四色定理”绘画，由五种不同颜色（包括边界）组成，分别为红色、绿色、黄色、蓝色和深蓝色。
（b）仿真“荷花中国画”全息图像，由粉红色的莲花、黄色的花芯、绿色的荷叶、深蓝的水和红色的蜻蜓组成。
（c）全息的RGB分量的灰度图像。
（d）加工的滤色片包含五种颜色，100×100像素。 比例尺为100 μm。（e）实验中的全息图像投影，其组合RGB通道和（f）其对应的RGB分量。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41377-019-0198-y.pdf
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