Holografie is een krachtig hulpmiddel dat golffronten van licht kan reconstrueren en de fundamentele golfeigenschappen van amplitude, fase, polarisatie, golfvector en frequentie. Er is momenteel veel vraag naar slimme multiplextechnieken (integratie van meerdere signalen) in combinatie met metasurface-ontwerpen om de capaciteit te onderzoeken om informatieopslagsystemen te ontwikkelen en de optische encryptiebeveiliging te verbeteren met behulp van dergelijke metasurface-hologrammen.

Holografie op basis van meta-oppervlakken is een veelbelovende kandidaat voor toepassingen in optische displays/opslag met een enorm informatiedragend vermogen naast een groot gezichtsveld in vergelijking met traditionele methoden. Om metasurface hologrammen praktisch te realiseren, holografische profielen moeten worden gecodeerd op ultradunne nanostructuren met sterke licht-materie-interacties (plasmonische interacties) op ultrakorte afstand. Metasurfaces kunnen licht en akoestische golven beheersen op een manier die in de natuur niet wordt gezien om een ​​flexibel en compact platform te bieden en een verscheidenheid aan vectoriële hologrammen te realiseren, met hoge dimensionale informatie die de grenzen van vloeibare kristallen of optische fotoresists overtreft.

Onder de bestaande technieken die worden gebruikt om zeer gewenste optische eigenschappen te bereiken, polarisatiemultiplexing (meervoudige signaalintegratie) is een aantrekkelijke methode. De sterke overspraak die met dergelijke platforms gepaard gaat, kan, echter, worden voorkomen met dubbelbrekende meta-oppervlakken (tweedimensionale oppervlakken met twee verschillende brekingsindices) samengesteld uit een enkel meta-atoom per eenheidscel voor geoptimaliseerde polarisatie-multiplexing.

Hoe dan ook, de volledige capaciteit van alle polarisatiekanalen moet nog worden onderzocht voor verbeterde informatieopslagcapaciteit in metasurface-hologrammen en in holografische optische apparaten. In een recente studie, Ruizhe Zhao en collega's demonstreerden een nieuwe methode om vectoriële holografie met meerdere kanalen te realiseren voor dynamische weergave en hoogbeveiligde toepassingen. In de studie, dubbelbrekende meta-oppervlakken werden onderzocht om polarisatiekanalen te controleren en zeer verschillende informatie door rotatie te verwerken. De gereconstrueerde vectorafbeeldingen kunnen van de ene vorm naar de andere worden geschakeld met verwaarloosbare overspraak door een combinatie van ingangs-/uitgangspolarisatietoestanden te selecteren. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

De wetenschappers hebben eerst een multiplex-algoritme afgeleid om het dynamische vectoriële holografische weergave- en coderingsproces te ondersteunen. Door de juiste polarisatiesleutels te gebruiken, de ontvanger de exacte informatie kan verkrijgen. Door de complexiteit van dergelijke afbeeldingen te vergroten, nog hogere flexibiliteit werd verkregen naast gedetailleerde analyse van de gereconstrueerde vectoriële beeldeigenschappen. Omdat het apparaat dat meta-oppervlakken bevat compact van formaat is, in praktijk, het kan gemakkelijk worden vervoerd met gecodeerde informatie.

Om het ontwerp van interesse te modelleren, Zhao et al. verschillende diëlektrische siliciummeta-oppervlakken op een glassubstraat ontworpen met behulp van plasma-etsen, gevolgd door elektronenstraallithografie. De meta-oppervlakken waren samengesteld uit 1000 x 1000 nanovinnen, d.w.z. nanostructuren met het vermogen om de warmteoverdracht te vergroten via oppervlakteverbetering en vloeistof-vaste stof-interacties. De onderzoekers bestudeerden twee schema's van meerdere polarisatiekanalen; met of zonder rotatie met behulp van de dubbelbrekende diëlektrische meta-oppervlakken om de hologrammen te realiseren.

De dubbelbrekende diëlektrische meta-oppervlakken werden ontworpen met behulp van silicium nanofins bovenop een glazen substraat. Om de gewenste faseverschuivingen te bereiken, 2D-parameteroptimalisatie werd uitgevoerd met behulp van een rigoureuze gekoppelde golfanalyse (RCWA) -methode. De semi-analytische RCWA-methode wordt typisch toegepast in computationele elektromagnetisme om verstrooiing van periodieke diëlektrische structuren op te lossen. De lengte L en breedte W van de nanovin lagen in het bereik van 80 tot 280 nm, hoogte bij 600 nm en periodegrootte P bij 400 nm. De waarden werden zorgvuldig geselecteerd om ervoor te zorgen dat de fase van het uitgangslicht alle ongewenste diffractieordes elimineerde. Voor de simulatie, de nanovin werd op een glazen substraat geplaatst en onderworpen aan een vaste golflengte van invallend licht bij 800 nm. Simulatieresultaten gaven aan dat de amplitude van de transmissie voor de meeste nanovinnen met verschillende doorsneden meer dan 90 procent efficiëntie was. De wetenschappers bepaalden oriëntatiehoeken van de nanovinnen met behulp van vergelijkingen die in het onderzoek zijn afgeleid om experimenteel meerkanaals polarisatie-multiplexing aan te tonen.

Voor optische karakterisering van de metasurface hologrammen, Zhao et al. gebruik gemaakt van een proefopstelling. De vergrotingsverhouding en numerieke apertuur van de objectieflens werden zorgvuldig gekozen om al het diffractielicht van het monster te verzamelen en holografische beelden in het Fourier-vlak te reconstrueren. De wetenschappers gebruikten een tweede objectief/lens om het Fourier-vlak vast te leggen op een CCD-camera. Ze observeerden ook afzonderlijk twee scanning-elektronenmicroscopiebeelden van de monsters met of zonder rotatie om het gemanipuleerde oppervlak te karakteriseren.

Als een proof-of-principle, met behulp van de meta-oppervlakken, Zhao et al. holografische beelden geconstrueerd van een tekenfilmtijger en een sneeuwpop die met hoge getrouwheid en hoge resolutie verschenen wanneer ze werden belicht door x-gepolariseerd licht. Toen het invallende licht werd overgeschakeld naar y-polarisatie, de gereconstrueerde beelden veranderden in een theepot en een theekopje. In dit experiment, er waren slechts twee polarisatiekanalen beschikbaar in de opstelling, met beide paren van de holografische afbeeldingen gereconstrueerd en gelijktijdig laten verdwijnen door de polarisator achter het monster te draaien. De experimentele resultaten waren in overeenstemming met de simulatie om het fundamentele ontwerpprincipe van de studie te bevestigen. De netto diffractie-efficiëntie van het hologram werd gedefinieerd als de verhouding van de intensiteit van het enkele gereconstrueerde beeld tot de kracht van invallend licht.

De wetenschappers waren in staat om meer complexe multiplexing-functionaliteiten met 12 kanalen te ontwerpen en te construeren met behulp van dezelfde ontwerpprincipes. De vectoriële afbeeldingen werden gezien als holografische reconstructies met de input/output polarisatiecombinaties ontwikkeld zoals voorgesteld. De techniek kan ook worden gebruikt om verschillende afbeeldingen op dezelfde ruimtelijke locatie te versleutelen. Bij encryptie, zo'n superpositie kan bij reconstructie een andere betekenis geven. Als voorbeeld, de wetenschappers kozen het beeld van een dobbelsteen met zes representatieve oppervlakken, en door verschillende combinaties van ingangs-/uitgangspolarisatietoestanden te gebruiken, gecodeerd tot zes afbeeldingen om te bekijken.

Het multiplexalgoritme dat in het onderzoek werd afgeleid, hielp de dynamische vectoriële holografische weergave en de codering van afbeeldingen die zijn gecodeerd op dubbelbrekende diëlektrische meta-oppervlakken. Door de juiste polarisatiesleutels te gebruiken, een ontvanger zou de juiste informatie kunnen verkrijgen. Een grotere flexibiliteit kan worden verkregen door de complexiteit van het beeld te vergroten en het versleutelingsmedium te veranderen in titaniumdioxide (TiO ₂ ) of siliciumnitride (SiN). De juiste polarisatiecombinatie zorgde ervoor dat de informatie tijdens de ontsleuteling nog complexer werd.

Het meerkanaals hologram handhaafde een relatief grote werkbandbreedte omdat de gereconstrueerde beelden buiten de ontworpen golflengte van 800 nm konden worden waargenomen. De studie stelde een ontwerp- en engineeringtechniek vast die dubbelbrekende eigenschappen combineerde van eenvoudige nanovinnen die als bouwstenen worden gebruikt, met extra ontwerpvrijheid van rotatiematrix en slimme multiplexalgoritmen. De resultaten maakten hoogdimensionale meerkanaals polarisatie gemultiplexte hologrammen mogelijk, met maximaal 12 polarisatiekanalen. Op deze manier, efficiënte, op licht gebaseerde encryptie en geïntegreerde meerkanaals holografische weergavetechnieken kunnen de weg vrijmaken voor geavanceerde communicatie in hoogbeveiligde toepassingen.

© 2018 Wetenschap X Netwerk