基于超构表面的大视场平面彩色全息技术研究

Holography is a well-established technique that has been widely employed in various fields, such as image display, information storage, holographic anti-counterfeiting, deformation measurement and particle-field detection. However,the realization process of traditional holography exhibits many complexities and the sample is hard to be preserved. Besides, holographic display technique based on SLM (Spatial Light Modulator) has limited field angles as the pixels are much larger than the working wavelengths (approximately ten times the wavelength of visible light). Recently, holographic technique based on metasurface has paved a new way to achieving planar lightweight, large field angle, autostereoscopy and color hologram. Unfortunately,mathematicand physical models pertaining to this new routehave not been established yet in asystematic and comprehensive way,therebyhindering the realization of high transmittance, low cost, and large field angle dynamic hologram. Therefore, our team proposes the investigation of large field angle planar color holographic technique based on metasurface with PCM( Phase Change Material) and white-light sources. We will investigate, in depth and in detail, the method to improve the holographic efficiency in transmitted metasurface and to form the numerical model to realize large field angle dynamic holography as well as metasurface-based color holography with white-light sources. Moreover, we will also carry out researches in the design, fabrication and characterization of color holographic devices. We believe these studies will lay a theoretical and technologicalfoundation for high-efficiency, high-accuracy, high-density and low-cost information storageand for the progress in the fields of metasurface-based information display, information storage and holographic anti-counterfeiting.

光学全息术广泛应用于图像显示、信息存储、全息防伪、变形测量、粒子场测试等领域。然而传统全息实现过程繁琐，样品不易于保存，而基于空间光调制器的全息显示技术由于像元尺寸过大（大约可见光波长的十倍），极大地限制了成像视场角。最近基于超表面的全息技术为平面轻量化、大视场、裸眼三维、彩色全息技术的发展提供了新的技术途径，但是当前超构表面全息研究缺乏系统和深入的数理模型，例如透射式效率低，难以实现大视场的动态全息以及彩色全息系统复杂而昂贵等问题。因此，本课题组提出基于相变材料、白光光源的超构表面的大视场平面彩色全息技术研究，深入研究提高透射型超表面全息效率的方法，构建大视场的动态全息和白光超构表面彩色全息的数理模型，并进行彩色全息器件设计、制备和表征，为高效率、高精度、高密度、低成本的信息存储奠定理论和技术基础，同时推动超构表面在信息显示、信息存储、全息防伪应用的技术进展。

近年来基于超表面的全息技术为平面轻量化、大视场、裸眼三维、彩色全息技术的发展提供了新的技术途径，但是当前超构表面全息研究缺乏系统和深入的数理模型，存在效率低，难以实现大视场的动态全息以及彩色全息系统复杂等问题。本项目主要开展超构表面单元结构与电磁波振幅、相位和偏振相互作用机理，进而提高调控效率，设计出大视场平面、彩色和动态全息器件，并完成器件的制备和性能表征研究，取得的主要成果如下：.（1）利用PB相位原理在反射空间与透射空间的性质差异与离轴照明方法，控制频谱域全息目标成像的不同部分，实现透射的右旋光与反射的左旋光分别呈现不同的全息成像。完成反透射全息成像样品制备，并搭建实验光路，在透射空间和反射空间分别得到不同的彩色全息图像，实现大视场彩色全息成像。.（2）利用表面等离子激元实现高效率窄带波前调控原理，设计并制备了结构色全息超表面，其光谱FWHM约为20nm，峰值效率达到70%。在白光照明下，结构色图像的颜色随观察角度和入射角度变化而变化，并可利用偏振自由度实现伪装和真实颜色间的切换。在红绿蓝相干激光照明下可以产生不同的全息像。相关研究成果在防伪技术、信息存储、信息安全工程等领域均具有潜在应用价值。.（3）利用GST相变材料的各向异性结构和高折射率介质的弱耦合谐振特性，通过调控相变特性可动态调节电磁波相位。当GST在非晶态和晶态切换时超表面分别为四分之一波片和半波片，而且该波片具有高的偏振转化效率。.（4）通过GST的相变引入可调的传输相位，再与由结构旋转引入的相变无关几何相位复合，从而实现多态波前独立调控，从原理上解决了可调相位型超表面信息保真度低的问题。通过材料相变实现动态可调全息显示，最后完成样品的制备和光场性能的表征验证。相关研究成果在光存储、光学加密、信息安全工程等领域有较大应用前景，并为设计可重构动态波前调控器件提供新思路。