Principio del progetto dell'olografia della metasuperficie e risultati statistici del numero di ciascuna nanopinna (diverse sezioni trasversali e angoli di orientamento) contenuti negli ologrammi della metasuperficie progettati. Illustrazioni schematiche di ologrammi multiplex di polarizzazione basati su metasuperfici dielettriche. Le frecce rossa e blu indicano la polarizzazione della luce incidente e l'asse di trasmissione del polarizzatore posto dietro il campione di metasuperficie. Il rosso, blu, e il colore verde delle immagini ricostruite (le parole “olografia”, “meta”, e "superficie") rappresentano i componenti della luce di uscita, rispettivamente. a) Polarizzazione a due canali e un ologramma multiplexato ad angolo basato su metasuperfici composte da nanopinne con sezioni trasversali diverse ma angoli di orientamento fissi, che può essere utilizzato per ricostruire due serie di immagini fuori asse. b) Ologramma multiplex a polarizzazione multicanale basato su metasuperfici composte da nanopinne con diverse sezioni trasversali e angoli di orientamento, che può essere utilizzato per ricostruire tre immagini indipendenti e tutte le combinazioni di queste immagini (12 canali in totale). c) Ologramma a polarizzazione e multiplex a due canali (permette l'aspetto di "tigre dei cartoni animati", "pupazzo di neve dei cartoni animati", "teiera", "tazza"), b) Ologramma multiplato a polarizzazione multicanale (aspetto della parola “olografia”, “meta”, “superficie”) c) Ologramma multiplexato a polarizzazione multicanale (aspetto di “dadi”) d Ologramma multiplexato a polarizzazione multicanale (aspetto di una “persona dei cartoni animati”). Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
L'olografia è un potente strumento in grado di ricostruire i fronti d'onda della luce e combinare le proprietà ondulatorie fondamentali di ampiezza, fase, polarizzazione, vettore d'onda e frequenza. Le tecniche di multiplexing intelligenti (integrazione di segnali multipli) insieme ai progetti di metasuperfici sono attualmente molto richiesti per esplorare la capacità di progettare sistemi di archiviazione delle informazioni e migliorare la sicurezza della crittografia ottica utilizzando tali ologrammi di metasuperfici.
L'olografia basata su metasuperfici è un candidato promettente per applicazioni in display/archiviazione ottici con un'enorme capacità di supporto delle informazioni insieme a un ampio campo visivo rispetto ai metodi tradizionali. Per realizzare praticamente ologrammi di metasuperfici, i profili olografici dovrebbero essere codificati su nanostrutture ultrasottili che possiedono forti interazioni luce-materia (interazioni plasmoniche) a distanza ultracorta. Le metasuperfici possono controllare le onde luminose e acustiche in un modo non visto in natura per fornire una piattaforma flessibile e compatta e realizzare una varietà di ologrammi vettoriali, con elevate informazioni dimensionali che superano i limiti dei cristalli liquidi o dei fotoresist ottici.
Tra le tecniche esistenti impiegate per ottenere proprietà ottiche altamente desiderate, il multiplexing di polarizzazione (integrazione di segnali multipli) è un metodo interessante. Il forte cross-talk associato a tali piattaforme può, però, essere prevenuto con metasuperfici birifrangenti (superfici bidimensionali con due diversi indici di rifrazione) composte da un singolo meta-atomo per cella unitaria per un multiplexing di polarizzazione ottimizzato.
Tuttavia, la piena capacità di tutti i canali di polarizzazione resta da esplorare per una migliore capacità di memorizzazione delle informazioni all'interno degli ologrammi di metasuperficie e nei dispositivi ottici olografici. In un recente studio, Ruizhe Zhao e collaboratori hanno dimostrato un nuovo metodo per realizzare l'olografia vettoriale multicanale per la visualizzazione dinamica e le applicazioni ad alta sicurezza. Nello studio, sono state esplorate metasuperfici birifrangenti per controllare i canali di polarizzazione ed elaborare informazioni molto diverse attraverso la rotazione. Le immagini vettoriali ricostruite potrebbero essere commutate da una forma all'altra con diafonia trascurabile selezionando una combinazione di stati di polarizzazione input/output. I risultati sono ora pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .
La polarizzazione a due canali e l'ologramma multiplexato ad angolo rappresenta una tigre dei cartoni animati, pupazzo di neve dei cartoni animati, teiera e tazza da tè. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Gli scienziati hanno prima derivato un algoritmo di multiplexing per supportare la visualizzazione olografica vettoriale dinamica e il processo di crittografia. Utilizzando le chiavi di polarizzazione corrette, il destinatario potrebbe ottenere le informazioni esatte fornite. Aumentando la complessità di tali immagini, una flessibilità ancora maggiore è stata ottenuta insieme all'analisi dettagliata delle proprietà dell'immagine vettoriale ricostruita. Poiché il dispositivo contenente le metasuperfici è di dimensioni compatte, in pratica, può essere facilmente trasportato con informazioni codificate.
Per modellare il design di interesse, Zhao et al. progettato diverse metasuperfici di silicio dielettrico sopra un substrato di vetro utilizzando l'incisione al plasma, seguita dalla litografia a fascio di elettroni. Le metasuperfici erano composte da 1000 x 1000 nanopinne, cioè nanostrutture con la capacità di aumentare il trasferimento di calore tramite il miglioramento dell'area superficiale e le interazioni liquido-solido. I ricercatori hanno studiato due schemi di canali di polarizzazione multipli; con o senza rotazione utilizzando le metasuperfici dielettriche birifrangenti, per realizzare gli ologrammi.
a) Illustrazione schematica di una nanopinna di silicio amorfo posizionata su un substrato di vetro. La metasuperficie sarà composta da una disposizione periodica di tali celle unitarie. b–e) Risultati della simulazione per l'ampiezza e la fase dei coefficienti di trasmissione txx e tyy mostrati per un'ottimizzazione dei parametri 2D utilizzando un rigoroso metodo di analisi delle onde accoppiate. La lunghezza e la larghezza della nanopinna sono entrambe spazzate nell'intervallo 80-280 nm a una lunghezza d'onda incidente di 800 nm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Le metasuperfici dielettriche birifrangenti sono state progettate utilizzando nanoalette di silicio sopra un substrato di vetro. Per ottenere gli sfasamenti desiderati, L'ottimizzazione dei parametri 2-D è stata condotta utilizzando un rigoroso metodo di analisi delle onde accoppiate (RCWA). Il metodo semi-analitico RCWA viene tipicamente applicato nell'elettromagnetismo computazionale per risolvere la dispersione da strutture dielettriche periodiche. La lunghezza L e la larghezza W della nanopinna erano nell'intervallo da 80 a 280 nm, altezza a 600 nm e dimensione del periodo P a 400 nm. I valori sono stati accuratamente selezionati per garantire che la fase della luce in uscita eliminasse qualsiasi ordine di diffrazione indesiderato. Per la simulazione, la nanopinna è stata posta su un substrato di vetro e sottoposta a una lunghezza d'onda fissa di luce incidente a 800 nm. I risultati della simulazione hanno indicato che l'ampiezza di trasmissione per la maggior parte delle nanopinne con diverse sezioni trasversali superava il 90% di efficienza. Gli scienziati hanno determinato gli angoli di orientamento delle nanopinne utilizzando equazioni derivate nello studio per dimostrare sperimentalmente il multiplexing di polarizzazione multicanale.
Configurazione sperimentale e immagini al microscopio elettronico a scansione dei campioni di metasuperficie fabbricati. a) L'apparato sperimentale per l'osservazione delle immagini olografiche. I due polarizzatori lineari (LP1, LP2) e due piastre a quarto d'onda (QWP1, QWP2) vengono utilizzati per impostare la combinazione precisa di polarizzazione per la luce incidente/trasmessa. L'obiettivo riproduce il piano focale posteriore della lente dell'obiettivo del microscopio (×40/0.6) su una fotocamera CCD. b–e) Scansione di immagini al microscopio elettronico di due tipici campioni di metasuperfici di silicio fabbricati mostrati con una vista dall'alto e laterale. Gli ologrammi della metasuperficie sono composti da 1000 × 1000 nanopinne con diverse sezioni trasversali e angoli di orientamento. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Per la caratterizzazione ottica degli ologrammi della metasuperficie, Zhao et al. utilizzato un apparato sperimentale. Il rapporto di ingrandimento e l'apertura numerica della lente dell'obiettivo sono stati scelti con cura per raccogliere tutta la luce di diffrazione dal campione e ricostruire le immagini olografiche nel piano di Fourier. Gli scienziati hanno utilizzato un secondo obiettivo/obiettivo per catturare il piano di Fourier su una telecamera CCD. Hanno anche osservato separatamente due immagini di microscopia elettronica a scansione dei campioni con o senza rotazione per caratterizzare la superficie ingegnerizzata.
Come prova di principio, utilizzando le metasuperfici, Zhao et al. immagini olografiche costruite di una tigre cartone animato e un pupazzo di neve che sono apparse con alta fedeltà e alta risoluzione quando illuminate da luce polarizzata x. Quando la luce incidente è stata commutata sulla polarizzazione y, le immagini ricostruite si trasformarono in una teiera e una tazza da tè. In questo esperimento, nella configurazione erano disponibili solo due canali di polarizzazione, con entrambe le coppie delle immagini olografiche ricostruite e fatte scomparire contemporaneamente ruotando il polarizzatore dietro il campione. I risultati sperimentali erano in accordo con la simulazione per confermare il principio di progettazione fondamentale dello studio. L'efficienza di diffrazione netta dell'ologramma è stata definita come il rapporto tra l'intensità della singola immagine ricostruita e la potenza della luce incidente.
Ologrammi multiplexati a polarizzazione multicanale (“Dice”). Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Gli scienziati sono stati in grado di progettare e costruire funzionalità multiplexing più complesse con 12 canali utilizzando successivamente gli stessi principi di progettazione. Le immagini vettoriali sono state viste come ricostruzioni olografiche con le combinazioni di polarizzazione input/output sviluppate come proposto. La tecnica potrebbe essere utilizzata anche per crittografare immagini diverse nella stessa posizione spaziale. Nella crittografia, tale sovrapposizione può dare un significato diverso alla ricostruzione. Come esempio, gli scienziati hanno scelto l'immagine di uno stampo con sei superfici rappresentative, e utilizzando diverse combinazioni di stati di polarizzazione ingresso/uscita, codificate fino a sei immagini per la visualizzazione.
L'algoritmo di multiplexing derivato nello studio ha aiutato la visualizzazione olografica vettoriale dinamica e la crittografia delle immagini codificate su metasuperfici dielettriche birifrangenti. Utilizzando le chiavi di polarizzazione corrette, un destinatario potrebbe ottenere le informazioni esatte fornite. Una maggiore flessibilità potrebbe essere ottenuta aumentando la complessità dell'immagine e cambiando il mezzo di crittografia al biossido di titanio (TiO 2 ) o nitruro di silicio (SiN). La corretta combinazione di polarizzazione ha assicurato le informazioni per una maggiore complessità durante la decrittazione.
L'ologramma multicanale ha mantenuto una larghezza di banda di lavoro relativamente ampia poiché le immagini ricostruite potevano essere osservate lontano dalla lunghezza d'onda progettata di 800 nm. Lo studio ha stabilito una tecnica di progettazione e ingegneria che combinava le proprietà birifrangenti di semplici nanopinne utilizzate come elementi costitutivi, con extra libertà di progettazione della matrice di rotazione e algoritmi di multiplexing intelligenti. I risultati hanno permesso di ottenere ologrammi multiplexati a polarizzazione multicanale ad alta dimensione, con fino a 12 canali di polarizzazione. In questo modo, l'efficiente crittografia basata sulla luce e le tecniche di visualizzazione olografica multicanale integrate possono aprire la strada a comunicazioni avanzate in applicazioni ad alta sicurezza.
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