Schema delle metasuperfici 3D integrate per l'olografia a colori impilando verticalmente un microarray con filtro colore con una metasuperficie olografica. (a) Vista esplosa delle metasuperfici 3D integrate. Il microarray con filtro a colori può essere disposto in modo specifico per formare una microstampa a colori sotto illuminazione a luce bianca (ad es. un'immagine dell'equazione massa-energia), mentre la metasuperficie dell'ologramma può codificare le informazioni dell'ologramma. Quando il rosso (R), verde (G), e i laser blu (B) sono illuminati contemporaneamente, tre immagini ologramma indipendenti vengono generate nel campo lontano. Combinando i tre ologrammi, è possibile ottenere un'immagine arbitraria dell'ologramma a colori (ad es. un ritratto di Albert Einstein). (b) Vista frontale di tre microunità delle metasuperfici 3D integrate. I filtri colorati sono costituiti da risonatori a cavità Fabry-Pérot (MDMFP) metallo/dielettrico/metallo. Quando il dispositivo è illuminato da rosso (R), verde (G), e laser blu (B), la luce può passare solo attraverso i filtri con la lunghezza d'onda di risonanza più vicina rispetto ai laser sorgente e successivamente brillare sulla metasuperficie dell'ologramma, generando tre immagini di ologrammi in scala di grigi monocromatici a campo lontano indipendenti Credit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0198-y
Fisici e scienziati dei materiali hanno sviluppato un dispositivo ottico compatto contenente metasuperfici impilate verticalmente in grado di generare testo microscopico e ologrammi a colori per l'archiviazione di dati crittografati e visualizzazioni a colori. Yueqiang Hu e un team di ricerca in Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body presso il College of Mechanical and Vehicle Engineering in Cina hanno implementato un dispositivo di metasuperficie integrato 3D per facilitare la miniaturizzazione del dispositivo ottico. Utilizzando metasuperfici con caratteristiche ultrasottili e compatte, il team di ricerca ha progettato elementi ottici progettando il fronte d'onda della luce su una scala di lunghezza d'onda inferiore. Le metasuperfici possedevano un grande potenziale per integrare molteplici funzioni nei sistemi optoelettronici miniaturizzati. L'opera è ora pubblicata su Luce:scienza e applicazioni .
Poiché la ricerca esistente sul multiplexing nel piano 2D rimane per incorporare pienamente le capacità delle metasuperfici per il multitasking, nel presente lavoro, il team ha dimostrato un dispositivo di metasuperficie integrato 3D. Per questo, hanno impilato una metasuperficie olografica su un microarray monolitico di filtri colorati a cavità Fabry-Pérot (FP) per ottenere una diafonia simultanea, funzioni di microstampa e olografia a colori altamente efficienti e indipendenti dalla polarizzazione. La doppia funzione del dispositivo ha delineato un nuovo schema per la registrazione dei dati, sicurezza, display a colori di crittografia e applicazioni di elaborazione delle informazioni. Il lavoro sull'integrazione 3D può essere esteso per stabilire sistemi ottici multi-tasking piatti che includano una varietà di strati funzionali di metasuperfici.
Le metasuperfici aprono una nuova direzione nell'optoelettronica, consentendo ai ricercatori di progettare elementi ottici modellando il fronte d'onda delle onde elettromagnetiche rispetto alle dimensioni, forma e disposizione delle strutture alla lunghezza d'onda. I fisici hanno progettato una varietà di dispositivi basati sulla metasuperficie tra cui lenti, convertitori di polarizzazione, ologrammi e generatori di momento angolare orbitale (OAM). Hanno dimostrato le prestazioni dei dispositivi basati sulla metasuperficie per superare persino gli elementi di rifrazione convenzionali per costruire dispositivi ottici compatti con funzioni multiple. Tali dispositivi sono, però, trattenuto da carenze dovute a una ridotta efficienza delle nanostrutture plasmoniche, requisiti di polarizzazione, grande diafonia e complessità della lettura per dispositivi ottici a più lunghezze d'onda ea banda larga. I team di ricerca possono quindi impilare dispositivi basati su metasuperfici 3D con diverse funzioni in direzione verticale per combinare i vantaggi di ciascun dispositivo. Riducendo contemporaneamente le difficoltà di integrazione e aumentando la libertà di progettazione per generare nuove funzionalità e migliorare l'inclusione dei dispositivi ottici per generare compattezza, dispositivi multifunzionali.
Progettazione e fabbricazione di metasuperfici 3D integrate. (a) Schema di una cella elementare delle metasuperfici 3D integrate. (b) Il cambiamento di fase normalizzato in base al canale B con varie dimensioni di nanofori. (c) L'efficienza di diffrazione con diversa scalatura di fase e B, G, e l'efficienza R del PMMA con un indice di rifrazione di 1,48 nell'intervallo della luce visibile a 400 nm (29,0%, 20,1%, e 13,8%) e 800 nm (92,0%, 76,1%, e 57,8%, rispettivamente) altezza. (d) Immagine SEM a falsi colori del dispositivo con un microarray con filtro a colori (dimensione dell'unità:10 μm) e metasuperficie dell'ologramma (periodo della struttura:400 nm). Colori diversi rappresentano i filtri colorati separati nel dispositivo. Barra della scala:1 μm. (e) Effetto dello spessore del film d'argento (lo spessore dei due film d'argento è uguale) sulla diafonia massima, diafonia media ed efficienza di trasmissione. L'aumento dello spessore del film d'argento può sopprimere la diafonia, ma riduce anche l'efficienza di trasmissione. (f) Spettri di trasmissione teorici e sperimentali per R (633 nm), G (532 nm), e canali B (450 nm) di filtri colorati a strato argento da 26 nm (linea seriale di colore scuro) e filtri colorati a strato argento da 31 nm (linea seriale a colori chiari). Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0198-y
Nel presente lavoro, Hu et al. metasuperfici 3D combinate per formare un'olografia a colori impilando un micro-array di filtri colorati monolitici e una metasuperficie olografica. Il dispositivo ha risolto i problemi di collo di bottiglia dell'olografia a colori come l'ampia diafonia e il campo visivo ridotto (FOV). Hanno ottenuto un'immagine di microstampa a colori illuminando il dispositivo con luce bianca. I ricercatori hanno ottenuto un'immagine olografica a colori proiettando nel campo lontano sotto il rosso (R), illuminazione laser verde (G) e blu (B) (RBG), durante la miscelazione con tre immagini ologramma in scala di grigi indipendenti. Il nuovo dispositivo integrato 3D ha mostrato una bassa diafonia, alta efficienza e un semplice processo di fabbricazione. Usando le metasuperfici sottili e piatte, il team ha costruito un dispositivo integrato che ha superato i dispositivi ottici tradizionali. Il lavoro rappresenta un progresso sostanziale nell'esplorazione di metasuperfici integrate 3D come polarizzatori e meta-lenti per formare multifunzionali, sistemi ottici ultrasottili.
Il team di ricerca ha sviluppato microscala, strutture graduali contenenti una serie di risonatori a cavità Fabry-Pérot (MDMFP) metallo/dielettrico/metallo per agire come filtri colorati con vari spessori dielettrici. Hanno dimostrato che i filtri colorati MDMFP hanno un'elevata efficienza di trasmissione, ampia gamma di colori (gamma di colori) e larghezze di riga spettrali strette rispetto ai filtri di colore plasmonici. Hanno composto la metasuperficie dell'ologramma di nanostrutture dielettriche isotropiche per manipolare la fase di propagazione della luce alla scala della lunghezza d'onda e generare alta qualità, immagini olografiche in campo lontano.
Dimostrazione concettuale delle metasuperfici 3D integrate. (a) Il diagramma di flusso dell'algoritmo Gerchberg–Saxton (GS) modificato per generare la fase dell'ologramma. FFT è la trasformata di Fourier veloce, e IFFT è la trasformata di Fourier veloce inversa. (b) Immagini di trasmissione di una microstampa tricromatica casuale a colori con 24 × 24 pixel catturati da un microscopio ottico:prima (in alto) e dopo (in basso) la deposizione dello strato d'argento superiore. La barra della scala è 50μm. (c) Le immagini dell'ologramma in campo lontano di "uomo che corre" catturate da una fotocamera digitale su uno schermo:(0) il risultato della simulazione dei canali R + G + B; (1)–(7) sette canali ottenuti combinando l'RGB negli esperimenti. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0198-y
Illuminando il dispositivo con laser RGB, Hu et al. generato tre indipendenti, immagini olografiche monocromatiche in scala di grigi a campo lontano per mescolare accuratamente i tre canali e ottenere un'immagine olografica a colori. Hanno progettato la metasuperficie per formare una proiezione alla lunghezza d'onda desiderata e hanno codificato informazioni olografiche su filtri colorati appositamente disposti, comprese le informazioni sulla microstampa a colori. La configurazione sperimentale presentava diversi vantaggi e il dispositivo poteva essere facilmente fabbricato utilizzando la comune litografia a fascio di elettroni (EBL) e processi di evaporazione del metallo.
Durante il processo di progettazione e fabbricazione dei dispositivi 3D, Hu et al. nanofori dielettrici ingegnerizzati su metasuperfici di ologrammi. Alterando la dimensione dei nanofori, gli scienziati hanno ottenuto diverse risposte di fase per modellare il fronte d'onda desiderato per l'ologramma. Il ridimensionamento della fase ha semplicemente ridotto l'efficienza dell'ologramma senza influire sulle sue informazioni. Il team di ricerca ha utilizzato un materiale (poli)metilmetacrilato (PMMA) con un'altezza di 400 nm, sebbene strutture e materiali più elevati con un indice di rifrazione maggiore possano essere applicati per ottenere una maggiore efficienza di diffrazione.
Due metasuperfici 3D integrate per la crittografia ottica:simulazioni (riga in alto) ed esperimenti (riga in basso). (a) Equazione massa-energia nella microstampa tricromatica con 50 × 50 pixel. (b) Ritratto tricromatico di Albert Einstein in un'immagine olografica. (c) Equazioni di Maxwell nella microstampa tricromatica con 60 × 60 pixel. (d) Ritratto a colori misti di Jams Clerk Maxwell nell'immagine dell'ologramma, dimostrando la capacità di combinazione dei canali RGB per ottenere il giallo, viola, e colori ciano. Le barre della scala in (a) e (c) sono 50 μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0198-y
Per la configurazione di base del filtro colore, Hu et al. utilizzato una struttura di cavità di risonanza argento (Ag)/idrogeno silsequiossano (HSQ)/Ag su un substrato di quarzo, dove gli strati d'argento hanno agito come pellicole semiriflettenti. Il team di ricerca ha calcolato l'influenza dello spessore del film d'argento sulle lunghezze d'onda RGB utilizzate negli esperimenti per mostrare la diafonia soppressa a causa dell'aumento dello spessore del film d'argento, ma con una ridotta efficienza di trasmissione. Quando il film d'argento era solo più spesso di 30 nm, la riduzione della diafonia era trascurabile. Hu et al. ottenuto un'immagine di microscopia elettronica a scansione a falsi colori (SEM) del dispositivo di metasuperficie integrato 3-D fabbricato per verificarne la struttura. Hanno confrontato gli spettri di trasmissione sperimentale per il canale RGB con il calcolo teorico per mostrare i risultati ben concordati.
Per ottenere la doppia funzione di microstampa e olografia, gli scienziati hanno sviluppato un algoritmo Gerchberg-Saxton (GS) modificato per codificare due tipi di informazioni indipendenti in una microstampa e in un ologramma. Il team ha abbinato ogni pixel dell'immagine a colori al colore più vicino nella tavolozza, per formare componenti multicolori. Hanno selezionato filtri colore adatti per i canali RGB con diafonia ridotta tra loro per ottenere in definitiva R separato, G e B, immagini di ologrammi in scala di grigi. Hanno quindi unito i componenti della distribuzione a tre fasi per formare la fase finale dell'ologramma. Per verificare il concetto, hanno costruito una metasuperficie 3D integrata con una microstampa a colori tricromatica di un'olografia di un uomo che corre. Hu et al. ha confrontato la simulazione e il risultato sperimentale per mostrare che il dispositivo ha recuperato bene le informazioni sull'immagine progettate. Il concetto di microstampa e ologramma multiplex di lunghezza d'onda può essere utilizzato per la crittografia per migliorare la sicurezza delle informazioni. Gli scienziati possono utilizzare diverse combinazioni di canali laser per creare un'immagine a colori bilanciando le potenze in ingresso di RGB.
Dimostrazione di olografia a colori con dispositivo di metasuperfici 3D integrato. (a) Il dipinto simulato del "teorema dei quattro colori" composto da cinque colori diversi (incluso il confine), che sono rosse, verde, giallo, blu, e blu marino, rispettivamente. (b) Immagine olografica simulata "dipinto cinese di loto", costituito da un loto rosa con nucleo di fiori gialli, foglia di loto verde, acqua scura, e una libellula rossa. (c) Le immagini in scala di grigi delle componenti RGB del dipinto. (d) I filtri colorati fabbricati contenenti cinque colori con 100 × 100 pixel. La barra della scala è 100μm. (e) La proiezione dell'immagine dell'ologramma nell'esperimento che combina i canali RGB e le sue componenti RGB corrispondenti. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0198-y
Basandosi sulla duplice funzione della microstampa e del metaologramma a colori, gli scienziati hanno sviluppato due dispositivi di crittografia. Hanno confrontato i risultati simulati e sperimentali delle microstampe tricromatiche del primo dispositivo, che includeva l'equazione massa-energia proposta da Albert Einstein. La microstampa 50 x 50 pixel includeva le informazioni principali in rosso e lo sfondo in verde e blu. Il team di ricerca ha quindi proiettato un meta-ologramma a colori progettato in parallelo alla microstampa e ha catturato l'immagine dell'ologramma utilizzando l'illuminazione laser RGB. Per l'immagine dell'ologramma, hanno usato un ritratto tricromatico di Albert Einstein, che combinava le immagini binarie RGB. Allo stesso modo, Hu et al. ha sviluppato una microstampa delle equazioni di Maxwell e un ritratto olografico di James Clerk Maxwell.
Il team di ricerca ha utilizzato diverse cavità MDMFP con vari spessori dielettrici all'interno del dispositivo di metasuperficie integrato per realizzare una microstampa a colori di un'immagine arbitraria. Inoltre, hanno ottenuto un ologramma a colori combinando le immagini monocromatiche in scala di grigi dei canali RGB. Ad esempio, quando successivamente hanno codificato la metasuperficie con un'immagine a colori contenente informazioni in scala di grigi di un "dipinto cinese di un loto, " potrebbero dimostrare l'olografia a colori di un loto rosa con un nucleo di fiori gialli, foglia verde scuro, acqua scura e libellula rossa. Il team potrebbe regolare la potenza dei tre laser nell'esperimento per ottenere il risultato più vicino all'immagine originale. A causa della piccola diafonia dei diversi canali, gli scienziati sono riusciti a recuperare la maggior parte dei dettagli del dipinto combinando le tre componenti monocrome.
In questo modo, Yueqiang Hu e colleghi hanno proposto e dimostrato un concetto di metasuperficie integrata 3D per realizzare un'olografia a colori impilando verticalmente un microarray di filtri colorati e una metasuperficie olografica nanostrutturata. Prima dell'integrazione, il dispositivo ha mostrato doppie funzioni per la crittografia e l'archiviazione. I ricercatori hanno ottenuto microstampe a colori miniaturizzate con illuminazione a luce bianca e ologrammi a colori con illuminazione laser RGB, con bassa diafonia e alta efficienza rispetto alle tecniche esistenti per ottenere l'olografia a colori. Il lavoro fornisce eccellenti esempi dell'utilizzo di metasuperfici in dispositivi optoelettronici multifunzionali su chip per miniaturizzare i sistemi ottici.
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