Advanced Optical Materials:基于光子筛的定量相关振幅全息方法

超表面作为一种高性能的全息信息的载体,可以用亚波长的结构实现超大视场和超高分辨率的全息成像。在过去的研究中,纯相位超表面全息由于其优异的波前调制特性被广泛地报导,然而作为另一个重要的设计自由度,振幅信息同样可以被用于全息图像的再现。为了简化设计和加工的过程,超表面振幅全息通常采用二值全息图(用1表示透光的单元,0表示不透光的单元),具有随机分布的特征。同时,对超表面振幅全息的研究往往局限于单幅图的再现,而忽视了不同振幅全息图之间的联系。由于全息图的冗余性,当我们删除一幅二值振幅全息图中的部分信息,将部分像素值由1变为0时,仍然可以重建出与原始全息图的再现像完全相同的图像。从解空间的角度去思考,我们是否可以找到一个合适的解,在改变一定的振幅信息后,重建出一个完全不同的全息再现像,即建立两幅全息图的定量关联,并能够分别重建出不同的全息再现像。

北京理工大学王涌天教授和黄玲玲教授团队针对这一问题进行了理论计算和实验,发现利用智能算法的辅助可以显著地提升超表面光学调制的灵活性,并首次揭示不同振幅全息图之间的定量关联。团队提出了一种全新的全息算法,该算法基于传统的GS算法进行了改进,通过将全息面上的复振幅分布与其复共轭进行叠加,消除了复振幅分布中的虚部,此时该分布可以看成是一个实数组成的振幅分布,再将全息图进行二值化和关联化,由此生成了两幅具有定量关联的二值振幅全息图。这种关联关系对应于数学中的集合关系(A∪B=A;A∩B=B),用0和1分别代表二值全息图上单个像素的振幅值,将其中一个全息图中部分像素的振幅值由0转换为1,由此可以得到另一幅振幅全息图,并且这两幅全息图在傅立叶面上可以再现出完全不同的独立的全息再现像。该算法相比于遗传算法和粒子群算法等逐点搜索具有更快的计算速度,同时生成的全息图具有更高的成像质量。此外,该团队还利用了光子筛对该全息图进行了验证,实验发现在可见光到近红外波段的光源照射下,无论入射光的偏振状态如何,均可以得到清晰的、低串扰的再现像。相关成果发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.201901169)。

通过更深层次的探索,提出了该全息方法进一步实现动态复用的可能性。使用在不同外部条件下具有可调光学特性的动态材料,例如相变材料(PCM),等离子体材料(Mg / MgH2),和石墨烯/氧化石墨烯,可以设计出可动态切换的超表面全息图。动态材料可用于编码动态像素(需要转换振幅值的像素),而另一种光学性质稳定的材料可用于编码具有固定振幅值的像素。可以通过改变外界实验环境调整动态像素的光学特性来实现两个定量相关的振幅全息图的转换。这样的动态全息方法可以充分利用空间带宽乘积而不是空间子域复用,实现在单一的超表面内的动态全息复用,充分利用了超表面的信息承载能力。由于这些独特的优势,该全息方法可潜在地用于双模式识别,光学加密,全息显示等领域。