Natuurkundigen en materiaalwetenschappers hebben een compact optisch apparaat ontwikkeld met verticaal gestapelde meta-oppervlakken die microscopische tekst en full-color hologrammen kunnen genereren voor versleutelde gegevensopslag en kleurendisplays. Yueqiang Hu en een onderzoeksteam in Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body in het College of Mechanical and Vehicle Engineering in China implementeerden een 3D geïntegreerd metasurface-apparaat om miniaturisatie van het optische apparaat te vergemakkelijken. Met behulp van meta-oppervlakken met ultradunne en compacte kenmerken, het onderzoeksteam ontwierp optische elementen door het golffront van licht op subgolflengteschaal te ontwerpen. De meta-oppervlakken hadden een groot potentieel om meerdere functies te integreren in de geminiaturiseerde opto-elektronische systemen. Het werk is nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

Aangezien bestaand onderzoek naar multiplexen in het 2D-vlak nog steeds de mogelijkheden van meta-oppervlakken voor multitasking volledig incorporeert, in het huidige werk, het team demonstreerde een 3D geïntegreerd metasurface-apparaat. Voor deze, ze stapelden een hologrammeta-oppervlak op een monolithische Fabry-Pérot (FP)-caviteit-gebaseerde kleurenfilter-microarray om gelijktijdige overspraak te bereiken, polarisatie-onafhankelijke en zeer efficiënte full-color holografie en microprintfuncties. De dubbele functie van het apparaat schetste een nieuw schema voor gegevensregistratie, veiligheid, encryptie kleurenschermen en informatieverwerkingstoepassingen. Het werk aan 3D-integratie kan worden uitgebreid tot platte optische multitaskingsystemen die een verscheidenheid aan functionele meta-oppervlaklagen bevatten.

Metasurfaces openen een nieuwe richting in opto-elektronica, waardoor onderzoekers optische elementen kunnen ontwerpen door het golffront van elektromagnetische golven te vormen in verhouding tot de grootte, vorm en rangschikking van structuren op de subgolflengte. Natuurkundigen hebben een verscheidenheid aan metasurface-gebaseerde apparaten ontwikkeld, waaronder lenzen, polarisatie omvormers, hologrammen en orbitale impulsmomentgeneratoren (OAM). Ze hebben aangetoond dat de prestaties van metasurface-gebaseerde apparaten zelfs conventionele brekingselementen overtreffen om compacte optische apparaten met meerdere functies te bouwen. Dergelijke apparaten zijn echter, achtergehouden door tekortkomingen als gevolg van een verminderde efficiëntie van plasmonische nanostructuren, polarisatie vereisten, grote overspraak en complexiteit van de uitlezing voor optische apparaten met meerdere golflengten en breedband. Onderzoeksteams kunnen daarom op 3D-metasurface gebaseerde apparaten met verschillende functies in verticale richting stapelen om de voordelen van elk apparaat te combineren. Terwijl tegelijkertijd de integratieproblemen worden verminderd en de ontwerpvrijheid wordt vergroot om nieuwe functies te genereren en de opname van optische apparaten te verbeteren om compacte, multifunctionele apparaten.

In het huidige werk, Hu et al. gecombineerde 3D-meta-oppervlakken om full-color holografie te vormen door een monolithische micro-array met kleurenfilter en een hologram-meta-oppervlak te stapelen. Het apparaat loste de knelpunten van full-color holografie op, zoals grote overspraak en het kleine gezichtsveld (FOV). Ze verkregen een kleurenmicroprintafbeelding door het apparaat met wit licht te verlichten. De onderzoekers verkregen een full colour hologrambeeld door in het verre veld te projecteren onder rood (R), groene (G) en blauwe (B) laserverlichting (RBG), terwijl het wordt gemengd met drie onafhankelijke hologramafbeeldingen in grijstinten. Het nieuwe 3D-geïntegreerde apparaat vertoonde lage overspraak, hoge efficiëntie en een eenvoudig fabricageproces. Met behulp van de dunne en platte meta-oppervlakken, het team bouwde een geïntegreerd apparaat dat traditionele optische apparaten overtrof. Het werk vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang bij het verkennen van geïntegreerde 3D-meta-oppervlakken zoals polarisatoren en metalen lenzen om multifunctionele, ultradunne optische systemen.

Het onderzoeksteam ontwikkelde microschaal, stapsgewijze structuren die een reeks metaal/diëlektrische/metaal Fabry-Pérot (MDMFP) holteresonatoren bevatten om als kleurfilters met verschillende diëlektrische diktes te fungeren. Ze bewezen dat de MDMFP-kleurenfilters een hoge transmissie-efficiëntie hebben, breed kleurengamma (kleurenbereik) en smalle spectrale lijnbreedten in vergelijking met plasmonische kleurfilters. Ze hebben het hologrammeta-oppervlak van isotrope diëlektrische nanostructuren samengesteld om de voortplantingsfase van licht op subgolflengteschaal te manipuleren en hoogwaardige, far-field hologramafbeeldingen.

Door het apparaat te verlichten met RGB-lasers, Hu et al. drie onafhankelijke, far-field monochromatische grijswaardenhologramafbeeldingen om de drie kanalen zorgvuldig te mengen en een full-color hologrambeeld te verkrijgen. Ze ontwierpen het meta-oppervlak om een ​​projectie op de gewenste golflengte te vormen en codeerden holografische informatie op specifiek geplaatste kleurenfilters, inclusief informatie over microprints in kleur. De experimentele opstelling had verschillende voordelen en het apparaat kon gemakkelijk worden vervaardigd met behulp van gewone elektronenstraallithografie (EBL) en metaalverdampingsprocessen.

Tijdens het ontwerp- en fabricageproces van de 3D-apparaten, Hu et al. gemanipuleerde diëlektrische nanogaten op hologrammeta-oppervlakken. Door de grootte van de nanogaten te veranderen, de wetenschappers verkregen verschillende fasereacties om het gewenste golffront voor het hologram vorm te geven. De faseschaling verminderde alleen de efficiëntie van het hologram zonder de informatie ervan te beïnvloeden. Het onderzoeksteam gebruikte een (poly)methylmethacrylaat (PMMA) materiaal met een hoogte van 400 nm, hoewel hogere structuren en materialen met een grotere brekingsindex kunnen worden toegepast om een ​​hogere efficiëntie van diffractie te bereiken.

Voor de basisconfiguratie van het kleurenfilter, Hu et al. gebruikte een zilver (Ag)/waterstofsilsequioxaan (HSQ)/Ag resonantieholtestructuur op een kwartssubstraat, waar de zilverlagen als semi-reflecterende films fungeerden. Het onderzoeksteam berekende de invloed van de zilverfilmdikte op de RGB-golflengten die in de experimenten werden gebruikt om onderdrukte overspraak aan te tonen als gevolg van verhoogde zilverfilmdikte, maar met verminderde transmissie-efficiëntie. Toen de zilverfilm slechts dikker was dan 30 nm, de overspraakreductie was verwaarloosbaar. Hu et al. verkregen een valse-kleuren scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeld van het gefabriceerde 3D geïntegreerde metasurface-apparaat om de structuur ervan te verifiëren. Ze vergeleken de experimentele transmissiespectra voor het RGB-kanaal met de theoretische berekening om te laten zien dat de resultaten goed overeenkwamen.

Om dubbele functies van microprint en holografie te bereiken, de wetenschappers ontwikkelden een aangepast Gerchberg-Saxton (GS) -algoritme om twee soorten onafhankelijke informatie te coderen in een microprint en een hologram. Het team koppelde elke pixel van de kleurenafbeelding aan de dichtstbijzijnde kleur in het palet, om veelkleurige componenten te vormen. Ze selecteerden geschikte kleurfilters voor de RGB-kanalen met kleine overspraak tussen elkaar om uiteindelijk afzonderlijke R, G en B, hologramafbeeldingen in grijstinten. Vervolgens voegden ze de driefasige distributiecomponenten samen om de laatste fase van het hologram te vormen. Om het concept te verifiëren, ze construeerden een 3D geïntegreerd meta-oppervlak met een trichromatische kleurenmicroprint van een holografie van een rennende man. Hu et al. vergeleek de simulatie en het experimentele resultaat om te laten zien dat het apparaat de ontworpen beeldinformatie goed herstelde. Het concept van een microprint en een met golflengte gemultiplext hologram kan worden gebruikt voor codering om de informatiebeveiliging te verbeteren. Wetenschappers kunnen verschillende combinaties van laserkanalen gebruiken om een ​​kleurenbeeld te creëren door de ingangsvermogens van RGB in evenwicht te brengen.

Gebaseerd op de dubbele functie van de microprint en het kleurenmetahologram, de wetenschappers ontwikkelden twee encryptie-apparaten. Ze vergeleken de gesimuleerde en experimentele resultaten van de trichromatische microprints van het eerste apparaat, die de door Albert Einstein voorgestelde massa-energievergelijking omvatte. De microprint van 50 x 50 pixels bevatte de belangrijkste informatie in rood en de achtergrond in groen en blauw. Het onderzoeksteam projecteerde vervolgens een kleurenmetahologram dat parallel aan de microprint was ontworpen en legde het hologrambeeld vast met RGB-laserverlichting. Voor het hologrambeeld, ze gebruikten een driekleurig portret van Albert Einstein, die de RGB-binaire afbeeldingen combineerden. evenzo, Hu et al. ontwikkelde een microprint van de Maxwell-vergelijkingen en een holografisch portret van James Clerk Maxwell.

Het onderzoeksteam gebruikte verschillende MDMFP-holtes met verschillende diëlektrische diktes in het geïntegreerde metasurface-apparaat om een ​​full-color microprint van een willekeurig beeld te realiseren. Aanvullend, ze verkregen een full-color hologram door de monochrome afbeeldingen in grijswaarden van de RGB-kanalen te combineren. Bijvoorbeeld, toen ze vervolgens het meta-oppervlak codeerden met een kleurenafbeelding met grijswaardeninformatie van een "Chinees schilderij van een lotus, " ze konden full-color holografie demonstreren van een roze lotus met een gele bloemkern, donkergroen blad, donker water en rode libel. Het team kon de kracht van de drie lasers in het experiment aanpassen om het resultaat zo dicht mogelijk bij het oorspronkelijke beeld te krijgen. Door de kleine overspraak van de verschillende kanalen, de wetenschappers waren in staat om de meeste details van het schilderij te herstellen door de drie monochrome componenten te combineren.

Op deze manier, Yueqiang Hu en collega's hebben een 3D geïntegreerd metasurface-concept voorgesteld en gedemonstreerd om full-color holografie te realiseren door een microarray met kleurenfilter en een nanogestructureerd hologrammetasurface verticaal te stapelen. Voorafgaand aan de integratie, het apparaat vertoonde dubbele functies voor codering en opslag. De onderzoekers verkregen geminiaturiseerde kleurenmicroprints onder witlichtverlichting en full-color hologrammen met RGB-laserverlichting, met lage overspraak en hoge efficiëntie in vergelijking met bestaande technieken om full-color holografie te bereiken. Het werk biedt uitstekende voorbeelden van het gebruik van meta-oppervlakken in multifunctionele on-chip opto-elektronische apparaten om optische systemen te miniaturiseren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk