Laser & Photonics Reviews:可同时实现纳米印刷术和计算全息术的三通道多功能超表面——一种单胞元设计方法

超表面是一种人工合成的亚波长平面结构材料,其具有精密控制入射光的偏振/振幅/相位的非凡能力,从而在纳米尺度上打开光场调控的大门。超表面控制电磁场的能力,为紧凑图像显示提供了一种全新的技术途径,可用于记录高分辨率、高保真度的全息图像和纳米印刷图像。近年来,将全息术和纳米印刷术融合到一个超表面上成为一种新兴和巧妙的信息复用方法。其中,在同一平面上交错排列两种纳米结构或多层纳米结构堆叠的方案被广泛采纳,其设计的关键是用超表面同时控制入射光的相位和振幅,从而在近、远场分别再现纳米印刷和计算全息图像。然而,由于每个纳米结构只能记录一个通道的信息,其本质上是多个超表面的简单集成,因此并没有增加单个超表面的信息密度。

针对此问题,受纳米结构的转角简并性启发,武汉大学郑国兴教授及其合作者将马吕斯定律的强度调制特性与几何相位和传输相位三者相结合,提出了一种用于三通道独立信息复用的多功能超表面,且仅需要单胞元结构的设计。在他们的设计中,三种独立的图像信息完美地存储在同一个单胞元超表面中:即每个纳米结构同时记录了三个通道的像元信息,且信息之间相互独立、互不干扰。利用不同偏振态的入射光作为解码密钥,可以在样片的表面和傅里叶远场分别再现一个连续灰度图像和的两个独立的全息图像。研究结果表明,交错和叠层设计不是实现多功能超表面的唯一途径,纳米结构的设计自由度还远没有充分利用。单胞元设计方法为超表面信息复用提供了一种高效、无串扰的技术方案,在多重光学防伪、高密度光存储、信息隐藏等领域具有广阔的应用前景,相关成果发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.202000032)上。