3D-integrerede metasurfaces stabler op for imponerende holografi

Fysikere og materialeforskere har udviklet en kompakt optisk enhed, der indeholder lodret stablede metasurfaces, der kan generere mikroskopisk tekst og fuldfarvehologrammer til krypteret datalagring og farvedisplays. Yueqiang Hu og et forskerhold inden for avanceret design og fremstilling til køretøjskroppe i College of Mechanical and Vehicle Engineering i Kina implementerede en 3D-integreret metasurface-enhed for at lette miniaturisering af den optiske enhed. Brug af metaoverflader med ultratynde og kompakte egenskaber, forskergruppen designede optiske elementer ved at konstruere lysets bølgefront i subbølgelængden. Metasurfaces havde et stort potentiale for at integrere flere funktioner i de miniaturiserede optoelektroniske systemer. Værket er nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer .

Da eksisterende forskning om multiplexering i 2-D-plan stadig er fuldt ud at inkorporere metasurfaces kapacitet til multi-tasking, i det nuværende arbejde, holdet demonstrerede en 3D-integreret metasurface-enhed. For det, de stablede et hologrammetasoverflade på et monolitisk Fabry-Pérot (FP) hulrumsbaseret farvefiltermikroarray for at opnå samtidig krydsspørgsmål, polarisationsuafhængige og yderst effektive fuldfarveholografi og mikroprintfunktioner. Enhedens dobbeltfunktion skitserede et nyt skema til dataregistrering, sikkerhed, krypteringsfarvedisplays og informationsbehandlingsprogrammer. Arbejdet med 3D-integration kan udvides til at etablere flade multi-tasking optiske systemer, der omfatter en række funktionelle metasurface-lag.

Metasurfaces åbner en ny retning inden for optoelektronik, tillader forskere at designe optiske elementer ved at forme bølgefronten for elektromagnetiske bølger i forhold til størrelse, form og arrangement af strukturer ved subbølgelængden. Fysikere har konstrueret en række metasurface-baserede enheder, herunder linser, polarisationsomformere, hologrammer og orbitale vinkelmomentgeneratorer (OAM). De har demonstreret ydeevnen af ​​metasurface-baserede enheder til endda at overgå konventionelle brydningselementer for at konstruere kompakte optiske enheder med flere funktioner. Sådanne anordninger er, imidlertid, tilbageholdt af mangler på grund af en reduceret effektivitet af plasmoniske nanostrukturer, krav til polarisering, stor krydstale og kompleksitet af aflæsning for optiske enheder med flere bølgelængder og bredbånd. Forskerteam kan derfor stable 3-D metasurface-baserede enheder med forskellige funktioner i lodret retning for at kombinere fordelene ved hver enhed. Mens det samtidig reducerer vanskelighederne med integration og øger designfriheden til at generere nye funktioner og forbedre optisk enheds inklusion til at generere kompakte, multifunktionelle enheder.

I det nuværende arbejde, Hu et al. kombinerede 3D-metasurfaces til dannelse af fuldfarveholografi ved at stable et monolitisk farvefiltermikroarray og hologrammetasurface. Enheden løste flaskehalsproblemerne ved fuldfarveholografi såsom stor krydstale og det lille synsfelt (FOV). De opnåede et farvemikroaftrykbillede ved at belyse enheden med hvidt lys. Forskerne opnåede et hologrambillede i fuld farve ved at projicere i fjernfeltet under rød (R), grøn (G) og blå (B) laserbelysning (RBG), under blanding med tre uafhængige gråtonebilleder. Den nye 3D integrerede enhed viste lav krydstale, høj effektivitet og en enkel fremstillingsproces. Brug af de tynde og flade metaoverflader, teamet byggede en integreret enhed, der overgik traditionelle optiske enheder. Arbejdet repræsenterer betydelige fremskridt med at udforske 3D-integrerede metasurfaces, såsom polarisatorer og meta-linser, til dannelse af multifunktionelle, ultratynde optiske systemer.

Forskerteamet udviklede mikroskala, trinvise strukturer, der indeholder en matrix af metal/dielektrisk/metal Fabry-Pérot (MDMFP) hulrumsresonatorer til at fungere som farvefiltre med forskellige dielektriske tykkelser. De beviste, at MDMFP -farvefiltrene havde en høj transmissionseffektivitet, bredt farveskala (farveområde) og smalle spektrallinjebredder sammenlignet med plasmoniske farvefiltre. De sammensatte hologrammetasoverfladen af ​​isotropiske dielektriske nanostrukturer for at manipulere lysets formeringsfase på subbølgelængden og generere høj kvalitet, langt-felt hologram-billeder.

Ved at belyse enheden med RGB -lasere, Hu et al. genererede tre uafhængige, fjernfelt monokromatiske gråtonebilleder for omhyggeligt at blande de tre kanaler og opnå et hologrambillede i fuld farve. De designede metasurface til at danne en projektion ved den ønskede bølgelængde og kodede holografiske oplysninger om specifikt arrangerede farvefiltre, herunder farvemikroaftrykoplysninger. Den eksperimentelle opsætning havde flere fordele, og enheden kunne let fremstilles ved hjælp af almindelig elektronstråle litografi (EBL) og metalfordampningsprocesser.

Under design- og fremstillingsprocessen for 3-D-enhederne, Hu et al. konstrueret dielektriske nanohuller på hologrammetasoverflader. Ved at ændre størrelsen på nanohullerne, forskerne opnåede forskellige faseresvar for at forme den ønskede bølgefront til hologrammet. Faseskalingen reducerede blot effektiviteten af ​​hologrammet uden at påvirke dets information. Forskergruppen brugte et (poly) methylmethacrylat (PMMA) materiale med en højde på 400 nm, selvom højere strukturer og materialer med et større brydningsindeks kan anvendes for at opnå en højere diffraktionseffektivitet.

For den grundlæggende konfiguration af farvefilteret, Hu et al. brugte en sølv (Ag)/hydrogensilksioxan (HSQ)/Ag resonanshulrumsstruktur på et kvartsunderlag, hvor sølvlagene fungerede som halvreflekterende film. Forskergruppen beregnede indflydelsen af ​​sølvfilmtykkelsen på de RGB -bølgelængder, der blev brugt i eksperimenterne, til at vise undertrykt krydstale på grund af øget sølvfilmtykkelse - men med reduceret transmissionseffektivitet. Når sølvfilmen kun var tykkere end 30 nm, krydstale -reduktionen var ubetydelig. Hu et al. opnået et falsk farve scanningselektronmikroskopi (SEM) billede af den fremstillede 3D-integrerede metasurface-enhed for at verificere dens struktur. De sammenlignede de eksperimentelle transmissionsspektre for RGB -kanalen med den teoretiske beregning for at vise resultaterne godt enige.

For at opnå dobbelte funktioner med mikroprint og holografi, forskerne udviklede en modificeret Gerchberg-Saxton (GS) algoritme til at kode to typer uafhængig information i et mikroprint og et hologram. Holdet matchede hver pixel af farvebilledet med den nærmeste farve i paletten, at danne flerfarvede komponenter. De valgte passende farvefiltre til RGB -kanalerne med lille krydstale mellem hinanden for i sidste ende at opnå separat R, G og B, billeder i gråtoner. De fusionerede derefter de tre fasefordelingskomponenter for at danne den sidste fase af hologrammet. For at kontrollere konceptet, de konstruerede en 3D integreret metasurface med et trikromatisk farvemikroprint af en løbende mands holografi. Hu et al. sammenlignede simulering og eksperimentelt resultat for at vise, at enheden gendannede de designede billedoplysninger godt. Konceptet med et mikroprint og bølgelængde -multiplekset hologram kan bruges til kryptering for at forbedre informationssikkerheden. Forskere kan bruge forskellige kombinationer af laserkanaler til at skabe et billede i fuld farve ved at afbalancere inputkræfterne for RGB.

Baseret på mikroprintens dobbelte funktion og farve-meta-hologrammet, forskerne udviklede to krypteringsenheder. De sammenlignede de simulerede og eksperimentelle resultater af de trikromatiske mikroaftryk af den første enhed, som omfattede masseenergi-ligningen foreslået af Albert Einstein. Mikroaftrykket på 50 x 50 pixel inkluderede hovedoplysningerne i rødt og baggrunden i grønt og blåt. Forskerteamet projekterede derefter et metahologram i farve designet parallelt med mikroaftrykket og fangede hologrammebilledet ved hjælp af RGB-laserbelysning. For hologram -billedet, de brugte et trikromatisk portræt af Albert Einstein, som kombinerede RGB -binære billeder. Tilsvarende Hu et al. udviklet et mikroaftryk af Maxwell -ligningerne og et holografisk portræt af James Clerk Maxwell.

Forskergruppen brugte forskellige MDMFP-hulrum med forskellige dielektriske tykkelser inden for den integrerede metasurface-enhed til at realisere et mikrofon i fuld farve af et vilkårligt billede. Derudover de opnåede et hologram i fuld farve ved at kombinere de gråtonede monokrome billeder af RGB-kanalerne. For eksempel, da de næste kodede metasoverfladen med et billede i fuld farve, der indeholder oplysninger om gråtoner af et "kinesisk maleri af en lotus, "de kunne demonstrere fuldfarveholografi af en lyserød lotus med en gul blomsterkerne, mørkegrønne blade, mørkt vand og rød guldsmede. Teamet kunne justere effekten af ​​de tre lasere i eksperimentet for at opnå det nærmeste resultat af det originale billede. På grund af den lille krydstale i de forskellige kanaler, forskerne var i stand til at gendanne de fleste detaljer om maleriet ved at kombinere de tre monokrome komponenter.

På denne måde, Yueqiang Hu og kolleger foreslog og demonstrerede et 3D-integreret metasurface-koncept for at realisere fuldfarveholografi ved lodret at stable et farvefiltermikroarray og et nanostruktureret hologrammetasurface. Inden integrationen, enheden viste to funktioner til kryptering og lagring. Forskerne opnåede miniaturiserede farvemikroaftryk under hvidlysbelysning og fuldfarvehologrammer med RGB-laserbelysning, med lav krydstale og høj effektivitet sammenlignet med eksisterende teknikker for at opnå fuldfarveholografi. Arbejdet giver fremragende eksempler på brug af metasurfaces i multifunktionelle on-chip optoelektroniske enheder til at miniaturisere optiske systemer.

© 2019 Science X Network