Advanced Science:大面积等离子体超构表面:同时实现全彩色结构色和多通道全息显示

随着纳米加工技术的进步,由亚波长纳米结构构成的光学超构表面引起了人们的广泛关注。超构表面可以在平面上实现对光的振幅、相位、偏振、频率等参数的灵活调控,并由此实现了许多超常功能,包括:亚波长空间光调制、超快光脉冲整形、全彩色3D全息、结构色显示等。在众多应用中,全息和结构色超构表面能将信息编码或隐藏在亚波长结构中,具有优异的显示分辨率及色彩饱和度,有望用于下一代光学显示和安全设备。

近日,中国科学院光电技术研究所的研究人员在该领域取得了重要研究进展,报道了一种厘米量级尺寸的全彩色结构色全息超构表面。研究发现,通过银制光栅结构间的悬链线光场(由表面等离子体激元耦合产生),可激发超窄带(~20 nm)光子自旋-轨道相互作用(PSOIs),其峰值效率达到70%。通过改变光栅周期及宽度可以分别产生高纯度的红绿蓝三基色,再结合混色原理便可实现对结构色图像的色调、饱和度和亮度的灵活调控。由于光谱调制源于PSOIs,因此结构色图像的颜色具有偏振选择特性,有效提升了安全性。同时,通过合理利用光栅结构的衍射特性,在掠入射及衍射模式下可以得到与偏振解码后相似的彩色图像,将帮助人们在没有检测设备的情况下实现裸眼安全检测。在激光照明下,该超构表面表现为多波长全息板,能在红绿蓝激光入射下投影出不同的全息像。随后,利用设定的算法对三幅全息图进行解码,便可获取隐藏其中的二维码。由于该超构表面的结构厚度仅为30 nm,因此只需要单步表面等离子体(SP)光刻和几次镀膜工艺即可完成加工制备。

此项研究有望为提高超构表面信息容量及安全性提供新思路,在防伪技术、光存储、信息安全工程、多光谱偏振成像等领域具有应用前景。相关论文发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201903156)上。