基于纳米晶二氧化钒薄膜Mott相变的三维全息显示系统的关键物理问题研究

Three-dimentional(3D) holographic video display can present real 3D images through two-dimentional(2D) plane information, which will be of important application value in the fields of medical imaging, defense security, exhibition, etc. Its key physical problem is to achieve rapid spatial modulation to optical wave with high resolution. This project provides a new method to realize 3D holographic video display by using the Mott transition effect of nanocrystalline vanadium dioxide film. On the basis of analysing the controllable growth mechanism of fabricating large-area uniform nanocrystalline VO2 films，we study on the physical mechanism of the photo-induced Mott phase transition (PT) and effecs of electric field and tempreture on the photo-induced PT, and build the physical model of photo-induced PT under the external electric field; Then we design and fabricate nanoscale metal surface plasmon resonant structures to decrease the optical power threshold needed for the photo-induced PT and analyse the mechanism of effects of localized electric or magnetic field resonance enhancement on the photo-induced PT. Based upon the study on the respone of nanocrystalline VO2 films to large-area arbitrary optical patterns, we are to obtain rapidly updatable 2D refractive index modulation with high spatial resolution to realize spatial modulation to optical wave. Finally, combined with the computer-generated hologram, we will explore its application in the 3D holographic video display. The launch of this project will provide theoretical bases and experimental instructions for the application of VO2 in 3D holographic video display.

全息三维视频显示可以通过二维平面信息得到三维真实图像，在医疗成像、国防安全、展览展示等诸多领域具有重要的应用价值，其关键问题在于解决对光的快速高分辨空间调制。本项目提出了采用纳米晶VO2薄膜的Mott相变效应实现全息三维视频显示的新方法。我们首先在分析大面积均匀单层纳米晶VO2薄膜可控生长机理的基础上，研究其光致相变的物理机制以及外电场对光致相变的影响，建立在外电场作用下光致相变的物理模型；然后设计纳米局域表面等离子共振结构降低光致相变阈值，研究局域化的电场或者磁场共振增强对光致相变的影响机理；进而在研究纳米晶VO2薄膜对大面积任意光学图样响应基础上，实现可快速刷新的具有高分辨率的二维折射率调制来获得对光波的空间调制。最后结合计算全息理论，探索纳米晶VO2薄膜的空间相位调制在全息三维视频显示中的应用。该项目的开展将为应用VO2薄膜实现全息三维视频显示提供理论基础和实验指导。

全息三维视频显示可以通过二维平面信息得到三维真实图像，在医疗成像、国防安全、展览展示等诸多领域具有重要的应用价值，其关键问题在于解决对光的快速高分辨空间调制。我们提出了采用纳米晶VO2薄膜的 Mott 相变效应来实现全息三维视频显示的新概念。. 针对这一概念，我们首先选择了sol-gel法，通过甩膜并在N2气保护的环境下退火制备VO2多晶薄膜。通过优化实验条件，在镀有约1nm厚的浸润层Cr膜的Al2O3（0001）基底上对乙酰丙酮钒（vanadyl acetyl-acetonate）薄膜进行600oC 20分钟的退火，成功制备出了大面积均匀的单一晶态（001）的VO2多晶薄膜，薄膜的厚度可覆盖10nm至80nm，薄膜的晶粒尺寸约100nm；由于是多晶薄膜，晶粒的Mott相变不受周围晶粒的影响，其最高空间分辨率与晶粒的尺寸对应。其次，我们采用泵浦-探测技术发现这种纳米晶薄膜光致Mott相变响应非常迅速，响应时间约0.2ps。这种纳米晶VO2薄膜正好满足了动态光学调制系统的快速响应和高空间分辨率的要求。然后，我们建立了基于DMD数字反射镜阵列器件的动态任意光学图像生成系统。利用这种图样泵浦光可在纳米晶VO2薄膜上实现任意空间分布的相位调制。针对这种薄膜相变前后的两个状态，我们对计算全息图的二值化过程进行了优化。在G-S算法迭代过程中引入二值化，并进一步与直接二元搜索迭代相结合，提高了二值化全息光栅的质量。当这种纳米晶薄膜与各种金属等离子共振结构（金属纳米立方体、周期性金属圆盘对及V型金属光栅）相结合时，有利于改善VO2的光学响应特性，从而发现新的应用。我们利用薄膜上金属纳米立方体实现了荧光与拉曼信号的双重传感。最后，我们还探索了新型的卤化钙钛矿纳米材料，其吸收饱和的可调控性能好，调制度高。而且，激发态寿命可以调节，吸收波长可以覆盖蓝光到红光的可见区域，更适合作为动态全息光栅的薄膜材料。这是对动态三维全息材料的一种积极的探索。. 该项目的实施为动态可重构光学调制系统的进一步研究提供了重要的参考价值。