Multikanal vektoriel holografisk visning og kryptering

Holografi er et kraftfuldt værktøj, der kan rekonstruere bølgefronter af lys og kombinere de grundlæggende bølgeegenskaber af amplitude, fase, polarisering, bølgevektor og frekvens. Smart multipleksing-teknikker (multiple signal integration) sammen med metasurface-design er i øjeblikket i høj efterspørgsel for at udforske kapaciteten til at konstruere informationslagringssystemer og forbedre optisk krypteringssikkerhed ved hjælp af sådanne metasurface-hologrammer.

Holografi baseret på metasurfaces er en lovende kandidat til applikationer i optiske displays/lagring med enorm informationsbærende kapacitet sammen med et stort synsfelt sammenlignet med traditionelle metoder. For praktisk at realisere metasurface hologrammer, holografiske profiler bør kodes på ultratynde nanostrukturer, der har stærke lys-stof-interaktioner (plasmoniske interaktioner) i en ultrakort afstand. Metasurfaces kan styre lys og akustiske bølger på en måde, der ikke ses i naturen for at give en fleksibel og kompakt platform og realisere en række vektorielle hologrammer, med høj dimensionel information, der overskrider grænserne for flydende krystaller eller optiske fotoresists.

Blandt de eksisterende teknikker, der anvendes til at opnå meget ønskede optiske egenskaber, polarisationsmultipleksing (multiple signal integration) er en attraktiv metode. Den stærke krydstale forbundet med sådanne platforme kan, imidlertid, forhindres med dobbeltbrydende metasurfaces (todimensionelle overflader med to forskellige brydningsindekser) sammensat af et enkelt meta-atom pr. enhedscelle til optimeret polarisationsmultipleksing.

Alligevel, den fulde kapacitet af alle polarisationskanaler mangler at blive udforsket for forbedret informationslagringskapacitet inden for metasurface-hologrammer og i holografiske optiske enheder. I en nylig undersøgelse, Ruizhe Zhao og kolleger demonstrerede en ny metode til at realisere multikanal vektoriel holografi til dynamisk visning og højsikkerhedsapplikationer. I undersøgelsen, dobbeltbrydende metaoverflader blev udforsket for at kontrollere polarisationskanaler og behandle meget forskellig information gennem rotation. De rekonstruerede vektorbilleder kunne skiftes fra en form til en anden med ubetydelig krydstale ved at vælge en kombination af input/output polarisationstilstande. Resultaterne er nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Forskerne udledte først en multipleksingsalgoritme til at understøtte den dynamiske vektorielle holografiske visning og krypteringsproces. Ved at bruge de korrekte polarisationsnøgler, modtageren kunne få de nøjagtige oplysninger leveret. Ved at øge kompleksiteten af ​​sådanne billeder, endnu højere fleksibilitet blev opnået sammen med detaljeret analyse af de rekonstruerede vektorielle billedegenskaber. Da enheden, der indeholder metasurfaces, er kompakt i størrelse, i praksis, det kan nemt transporteres med kodet information.

For at mønstre designet af interesse, Zhao et al. konstrueret adskillige dielektriske siliciummetaoverflader oven på et glassubstrat ved hjælp af plasmaætsning, efterfulgt af elektronstrålelitografi. Metaoverfladerne var sammensat af 1000 x 1000 nanofiner, dvs. nanostrukturer med evnen til at øge varmeoverførslen via overfladearealforbedring og væske-faststof-interaktioner. Forskerne studerede to skemaer med flere polarisationskanaler; med eller uden rotation ved hjælp af de dobbeltbrydende dielektriske metaoverflader - for at realisere hologrammerne.

De dobbeltbrydende dielektriske metaoverflader blev designet ved hjælp af siliciumnanofiner på toppen af ​​et glassubstrat. For at opnå de ønskede faseskift, 2-D parameteroptimering blev udført ved hjælp af en streng koblet bølgeanalyse (RCWA) metode. Den RCWA semi-analytiske metode anvendes typisk i beregningselektromagnetik til at løse spredning fra periodiske dielektriske strukturer. Længden L og bredden W af nanofinen var i området fra 80 til 280 nm, højde ved 600 nm og periodestørrelse P ved 400 nm. Værdierne blev nøje udvalgt for at sikre, at fasen af ​​udgangslyset eliminerede enhver uønsket diffraktionsrækkefølge. Til simuleringen, nanofinen blev anbragt på et glassubstrat og udsat for en fast bølgelængde af indfaldende lys ved 800 nm. Simuleringsresultater viste, at transmissionsamplituden for de fleste nanofiner med forskellige tværsnit var over 90 procent effektivitet. Forskerne bestemte orienteringsvinkler for nanofinerne ved hjælp af ligninger udledt i undersøgelsen for eksperimentelt at demonstrere multikanal polarisationsmultipleksing.

Til optisk karakterisering af metasurface-hologrammerne, Zhao et al. brugt en eksperimentel opsætning. Forstørrelsesforholdet og den numeriske blænde af objektivlinsen blev omhyggeligt valgt for at opsamle alt diffraktionslyset fra prøven og rekonstruere holografiske billeder i Fourier-planet. Forskerne brugte et andet objektiv/linse til at fange Fourier-planet på et CCD-kamera. De observerede også separat to scanningselektronmikroskopibilleder af prøverne med eller uden rotation for at karakterisere den konstruerede overflade.

Som et bevis på princippet, ved at bruge metasfladerne, Zhao et al. konstruerede holografiske billeder af en tegneserietiger og en snemand, der dukkede op med høj troskab og høj opløsning, når de blev belyst af x-polariseret lys. Når det indfaldende lys blev skiftet til y-polarisering, de rekonstruerede billeder ændrede sig til en tekande og en tekop. I dette eksperiment, kun to polarisationskanaler var tilgængelige i opsætningen, med begge par af de holografiske billeder rekonstrueret og gjort til at forsvinde samtidigt ved at rotere polarisatoren bag prøven. De eksperimentelle resultater var i overensstemmelse med simuleringen for at bekræfte undersøgelsens grundlæggende designprincip. Hologrammets nettodiffraktionseffektivitet blev defineret som forholdet mellem intensiteten af ​​det enkelte rekonstruerede billede og styrken af ​​indfaldende lys.

Forskerne var i stand til at designe og konstruere mere komplekse multiplekseringsfunktioner med 12 kanaler ved at bruge de samme designprincipper derefter. Vektorbillederne blev set som holografiske rekonstruktioner med input/output polarisationskombinationer udviklet som foreslået. Teknikken kunne også bruges til at kryptere forskellige billeder på samme rumlige placering. I kryptering, en sådan superposition kan give en anden betydning for rekonstruktion. Som et eksempel, forskerne valgte billedet af en matrice med seks repræsentative overflader, og ved at bruge forskellige kombinationer af input/output polarisationstilstande, kodet op til seks billeder til visning.

Multipleksalgoritmen afledt i undersøgelsen hjalp den dynamiske vektorielle holografiske visning og kryptering af billeder kodet på dobbeltbrydende dielektriske metaoverflader. Ved at bruge de korrekte polarisationsnøgler, en modtager kunne få de nøjagtige oplysninger leveret. Højere fleksibilitet kan opnås ved at øge kompleksiteten af ​​billedet og ændre krypteringsmediet til titaniumdioxid (TiO) ₂ ) eller siliciumnitrid (SiN). Den korrekte polarisationskombination sikrede informationen for øget kompleksitet under dekryptering.

Multikanal-hologrammet opretholdt en relativt stor arbejdsbåndbredde, da de rekonstruerede billeder kunne observeres væk fra den designede bølgelængde på 800 nm. Undersøgelsen etablerede en design- og ingeniørteknik, der kombinerede dobbeltbrydende egenskaber af simple nanofiner, der blev brugt som byggesten, med ekstra-design rotationsfrihed matrix og smarte multipleksing algoritmer. Resultaterne muliggjorde højdimensionelle multikanal polarisations multipleksede hologrammer, med op til 12 polarisationskanaler. På denne måde Effektiv lysbaseret kryptering og integrerede multikanals holografiske visningsteknikker kan bane vejen for avanceret kommunikation i højsikkerhedsapplikationer.

© 2018 Science X Network