基于二氧化钒相变特性的动态温控超表面全息

由于具有在亚波长尺度上任意调控电磁波的能力,超表面在物理和工程领域均具有广泛的应用前景。其中最引人关注的一项应用就是超表面全息,突破了传统空间光调制器存在的分辨率大于波长带来的高阶衍射问题。然而,先前报道的超表面全息工作虽然取得了很好的成像效果,但绝大多数都是被动式全息成像。为推动超表面在未来显示方面的应用,寻找新型、可靠的方法来实现主动可控的超表面全息,已成为超表面领域的迫切需求。

天津大学太赫兹研究中心张学迁、韩家广的等人及其合作者针对这一需求,在太赫兹波段提出了一种实现温控型动态超表面全息的方法。该方法结合超表面的振幅和相位局域调控方法来设计全息图像,利用二氧化钒随温度的相变特性来开关部分超表面微结构的响应,通过合理设计全息像之间的干涉效应,实现了全息像随温度的动态变化现象。具体工作原理如下:

该工作采用亚波长C形金属谐振环作为控制出射波(正交偏振分量)相位和振幅的基本单元——通过改变结构尺寸控制相位,通过旋转结构角度控制振幅。在设计全息超表面过程中,首先确定目标全息图像的振幅和相位分布,然后利用瑞利-索末菲衍射方法计算出距离目标全息图像一定距离的平面上的振幅和相位分布,最后利用微结构来同步记录计算出的振幅和相位分布,即得到全息超表面。当超表面被外场激发时,利用光路可逆原理,即可在原来位置重建目标全息图像,包括图像的振幅和相位分布。

为实现主动式全息,需要在微结构中集成功能性材料。这里采用了二氧化钒这一温控相变材料作为功能性材料,将其集成到C形金属谐振环的开口处。在低温时,二氧化钒表现出电介质特性,几乎不会影响C形环的谐振响应;在温度升高时,二氧化钒逐渐表现出金属特性,将逐渐对C形环的谐振响应起到短接作用,使透射率逐渐下降;在高温时,透射率几乎变为0。这样,即可通过改变温度来实现对超表面响应的开关。但若将二氧化钒集成到全息超表面的所有C形环中,将仅会实现对全息图像的开关,不能实现全息图像的动态变换。因此,需要引入新的设计思路。

该工作设计的全息超表面由两套C形环构成:一套是普通的C形金属环,另一套是开口处集成了二氧化钒结构的C形环,二者在超表面全息板上呈棋盘型分布。通过上述全息设计方案,让第一套C形环记录的全息图像是字母“G”,该图像具有均匀的相位分布;让第二套C形环记录的全息图像是“H − G”:这两个字母“H”和“G” 亮度相同,且具有与上述字母“G”同样的相位分布,在这里使它们做复数相减。同时,使两套C形环记录的全息图像在空间重叠。这样,在低温时,二氧化钒对所在的C形环影响甚小,两套C形环均起作用,最终结果应为两者产生的全息图像的干涉,即“G”+“H − G”= “H”,产生的全息图像为字母“H”;而在高温时,集成了二氧化钒结构的C形环响应被截止,仅有第一套C形环对最终结果起作用,即产生的全息图像为字母“G”;在中间温度时,由于干涉不完全,产生的全息图像为字母“H”和“G”的叠加图形。即,实现了温度控制的动态超表面全息。

虽然该工作是在太赫兹波段展开,但是其原理具有普遍性,也适用于在其它波段实现类似的主动式全息调控,且调控手段不局限于温度控制。相关论文以“Thermal-dependent Dynamic Meta-Holography using Vanadium Dioxide Integrated metasurface”为题发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900175)上。