Ультратонкие метаповерхности совершают прорыв в векторной голографии

Экспериментальные демонстрации различных векторных голограмм. Целевые голографические изображения для восстановления: (a) векторные часы; (g) векторный цветок; (m) векторная летящая птица. Сегменты и круги обозначают локальные состояния поляризации изображений. Панели (b), (h) и (n) показывают экспериментально наблюдаемые картины, когда три изготовленных образца метаголограмм освещаются светом с левой круговой поляризацией (LCP) на длине волны 1064 нм соответственно. Панели (c)-(f), (i-l) и (o)-(r) показывают картины после поляризационной фильтрации с вращающимся поляризатором, установленным под разными углами перед ПЗС-матрицей, когда три образца метаголограмм освещаются светом с LCP на длине волны 1064 нм соответственно. Автор: T. Liu, C. Dai, D. Wang, и др.., DOI 10.1117/1.AP.7.5.056004.

Голография — наука о записи и восстановлении световых полей — долгое время была центральной для визуализации, хранения данных и шифрования. Однако традиционные голографические системы полагаются на громоздкие оптические установки и интерференционные эксперименты, что делает их непрактичными для компактных или интегрированных устройств. Вычислительные методы, такие как алгоритм Герхберга-Сакстона (GS), упростили проектирование голограмм, устранив необходимость в физических интерференционных картинах, но эти подходы обычно создают скалярные голограммы с однородной поляризацией, ограничивая объем информации, который можно закодировать.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи из Гонконгского университета науки и технологий, Фуданьского университета и Университета Гонконга разработали универсальную стратегию для векторной голографии — голограмм, которые кодируют как интенсивность, так и поляризацию — с использованием ультратонких метаповерхностей. Как сообщается в Advanced Photonics, этот метод работает при произвольных падающих поляризациях и может генерировать сложные изображения с пространственно изменяющимися состояниями поляризации, значительно расширяя информационную емкость голограмм.

Исследовательская группа достигла этого, объединив алгоритм GS с техникой волнового разложения для расчета требуемых свойств рассеяния для каждого мета-атома, строительного блока метаповерхности. Эти мета-атомы, основанные на структуре металл-диэлектрик-металл, были спроектированы для управления как фазой, так и преобразованием поляризации.

Регулируя геометрические параметры и углы вращения, исследователи достигли точного контроля над фазами отражения и состояниями поляризации, используя как структурные резонансы, так и фазу Панчаратнама-Берри. Этот подход позволяет проектировать метаповерхности, которые являются ультратонкими — около одной четверти рабочей длины волны — и компактными, с размерами образцов менее 200 × 200 мкм², что делает их идеальными для внутрисхемной интеграции.

Внутрисхемная визуализация на основе высокоэффективных векторных метаголограмм. Автор: C. Dai, Фуданьский университет; D. Wang, Гонконгский университет науки и технологий.

Чтобы продемонстрировать концепцию, команда изготовила метаповерхности с помощью электронно-лучевой литографии и протестировала их под ближним инфракрасным светом на длине волны 1064 нм. Они создали две серии векторных голограмм: одну с вращательной симметрией в качестве эталона и другую со сложными асимметричными узорами, включая часы, цветок и летящую птицу.

Каждое изображение демонстрировало различные состояния поляризации в разных областях, и при просмотре через вращающийся поляризатор картины динамически изменялись, эффективно «рассказывая истории», поскольку разные части появляются или исчезают. Эта особенность предполагает потенциальные применения в оптическом шифровании и защите от подделок. Важно, что метаповерхности достигли высокой эффективности, причем одно устройство достигло почти 68%, превзойдя предыдущие системы векторной голографии.

Эта работа представляет универсальную платформу для высокоэффективной векторной голографии, не зависящей от поляризации. Её ультратонкий дизайн и совместимость с внутрисхемной фотоникой делают её перспективной для применений в защищенном хранении данных, защите следующего поколения от подделок и интегрированных оптических системах. Метод также адаптируем к другим диапазонам длин волн и пропускающим режимам, а будущие улучшения — такие как использование диэлектрических материалов — могут дополнительно повысить производительность.

ИИ: Это исследование открывает новые горизонты для компактных и эффективных голографических технологий. В 2025 году такие разработки особенно актуальны для развития систем безопасности и миниатюрных оптических устройств.

Больше информации: Tong Liu и др., High-efficiency vectorial holography based on ultra-thin metasurfaces, Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.5.056004