基于超构表面结构的图像显示及全息成像研究

Metasurface, a two-dimensional periodical structure with subwavelength thickness, consists of a monolayer of artificial atoms arranged in pre-defined patterns and is able to manipulate the amplitude and phase of light in a desired manner. The metasurface has many important applications in the area of optical imaging and can be used in high-resolution color printing and high-efficiency holograms. However, there are still several issues remain to be solved, for example, the unchangeable imaging display, low purity and limited color range in color printing, single function of hologram and so on. In this project, we focus on the aforementioned problems and carry out the following research work: 1) exploring the dynamic control of the imaging display with multi-optical parameters, overcoming the shortcoming of single imaging display; 2) designing metasurface structure with tunable resonance in visible frequencies and low FWHM, improving the color range and the purity of color printing. 3) exploring the hologram encoding method, improving the security of information transmission; 4) integrating the imaging display and hologram in one structure and constructing the multi-functional optical devices. These studies will promote the metasurface for further applications in optical imaging.

超构表面是一层由人工设计的结构单元按照一定排序方式组成的亚波长厚度的二维平面结构，可实现对电磁波振幅和相位的灵活调控。这一特性在光学成像领域具有重要应用，可实现高分辨率彩色打印，高效率全息成像等功能。然而在该领域还存在一些亟待解决的问题，如图像无法改变、彩色打印颜色纯度低，覆盖范围窄、全息成像功能单一等缺点。本项目拟围绕这一领域的一些问题开展如下研究：1）探索多种光学参数动态调控图像显示的方法，解决目前图像显示单一的缺点；2）设计共振峰位在可见光范围内大范围可调，半高宽窄的超构表面结构，从而扩展彩色打印中的颜色范围，实现高纯度的颜色显示；3）探索全息图的加密方法，提升传输过程中的安全性；4）在同一个结构中集成图像显示与全息成像，实现微纳结构的多功能光学器件集成。这些研究将促进超构表面结构在光学成像领域中的进一步应用。

超构表面能够对光场的振幅、相位和偏振态进行灵活的调控，在光学领域具有广泛的应用，特别是在彩色打印和全息成像等方面，具有独特的优势。但在这一应用领域方面，仍然存在一些亟待解决的问题，比如如何实现多自由度动态成像、如何打破几何相位的左右旋关联性以及实现彩色打印和全息成像集成。本项目主要聚焦在超构表面设计领域，并着力解决如上难点。在研究成果方面，本人首先提出了一种全新的“相干像素”超构表面设计方案，可实现了对光场的振幅、相位、偏振、入射角度、波长等多个光属性独立且任意的调控。 基于该设计方法，我们1）利用入射角度、波长和偏振态的多维光参量动态调控打印图像的显示及变换；2）实现了对光场的振幅和相位的独立调控，从而能够在单层结构上实现彩色打印图像和全息图像的集成；3）进一步实现了对光场振幅，相位和偏振态的任意完全独立调控，并应用于具有任意相位和偏振态分布的完美矢量涡旋光束产生方面；4）构造了平面结构的6个自由度上限的琼斯矩阵器件，实现多图像的集成。同时，本人也提出了一套超构表面调控点光源辐射的集成方案，5）能够实现量子点辐射的准直出射和自旋态的按需调控，6）首次提出点光源超构表面全息术概念，打破了传统平面波激发时不同入射条件下超表面全息图像的关联性，实现了不同自旋态偏振、波长以及改变点光源位置动态生成全息图像功能。这些创新性的超构表面功能器件的设计为实现多功能复杂光器件奠定了基础。该项目支持期间，共发表SCI论文5篇。