基于准连续型超表面的超宽带高效率全息显示技术研究

Holography is an ideal scheme of virtual reality and augmented reality technology for the realization of the three-dimensional display without auxiliary equipment. The resolution and view angles of the holographic images are limited by the big pixels of the coding materials and devices. For the capability of controlling the electromagnetic wave at sub-wavelength scale, Metasurface can be used to make the lightweight and integrated devices with large view angles of the holographic images. However, some problems, such as the low imaging quality, low energy efficiency and limited working bandwidth, are also existed for the discrete coding structures of the metasurface holograms. So the holographic technology based on quasi-continuous metasurface is proposed by this project, which can improve the imaging quality and achieve ultra-broadband holographic display with high efficiency. With deep research on the electromagnetic properties of quasi-continuous superstructures, the mathematical model of the electromagnetic properties will be constructed. Through developing current design methods of metasurface holograms, we will carry out the design, fabrication and experimental measurement of the quasi-continuous meta-holograms. This project will lay a theoretical and experimental foundation for the realization of holographic images with high efficiency, high quality, ultra-broadband and large field of view. It can also promote the application of quasi-continuous metasurface for lens, vector beam generation and some other fields, and make important impacts on the development of metasurface.

全息技术能够实现无辅助设备的真三维成像，是一种理想的虚拟现实和增强现实技术实现方案。传统编码全息图的材料或器件由于较大的单元尺寸，对全息成像的分辨率和视场角造成了很大的限制。超表面具备亚波长尺度的电磁波调控能力，能构建轻量化、集成化、大视场的全息成像器件。然而目前超表面全息器件均采用离散型单元结构编码的方式，存在成像质量不高、能量效率低以及工作带宽受限等问题。因此本项目提出了基于准连续型超表面的全息成像技术，能在提升成像质量的同时，实现超宽带高效率的全息显示。深入研究准连续型超表面结构的电磁性质，构建其电磁调控的数理模型。发展超表面全息图的设计方法，并进行准连续型超表面全息图的设计、加工和实验测量。本项目能为实现高效率、高质量、超宽工作波段以及大视场的全息成像奠定理论及实验基础，也能促进准连续型超表面在透镜设计、矢量光束产生等相关领域的应用，对超表面的实用发展产生重要的影响。

超表面具备亚波长尺度的电磁波调控能力，能够实现轻量化、集成化、大视场的全息成像器件。然而传统超表面全息成像器件采用离散型单元结构编码的方式，存在能量效率低、运行带宽受限等问题。本项目提出基于准连续型超表面结构的全息器件方案，研究了准连续型超表面结构的电磁性质，设计了金属型及介质型的准连续型超表面全息器件，并完成了器件的加工制备和性能表征。设计了基于准连续型超表面的边缘检测器件，并验证了其在能量效率和工作带宽方面的优势。取得的主要成果如下：.（1）对金属型准连续结构进行了简化建模，计算了结构的电磁性能并进行了尺寸优化。提出了准连续型超表面全息器件的设计方法并进行了金属型准连续超表面全息器件的设计。制备了所设计的样品，并测试了其成像性能，实验证明了金属型准连续超表面全息图超宽带高效率的特征。.（2）展开了对介质型准连续超表面的研究，建立了简化光栅模型，优化了结构尺寸并设计了介质型准连续超表面单色全息器件，仿真验证了所设计器件的超宽带高效率特征。.在此基础之上，基于离轴照明技术提出了介质型准连续超表面的彩色全息成像器件设计方法，设计了彩色全息样品，完成了样品制备并测试了其电磁性能。实验获得了预设的彩色全息成像，验证了准连续型超表面结构在彩色全息成像方面的可行性。相关研究成果对于彩色显示技术、虚拟现实技术及增强现实技术具有促进意义。.（3）在准连续型超表面全息技术研究的基础之上，基于移动步长法提出了边缘检测器件的设计方法，并设计了准连续型超表面边缘检测样品。计算了器件的边缘检测性能及能量效率，表明所设计器件能在400-1000nm范围内实现边缘检测，且平均能量效率高达64.57%，显著优于所设计的离散型超表面边缘检测器件。相关成果在光学信息处理、光通讯及机器视觉等领域具备一定价值。