撰稿 | 郭旭岳（西北工業大學，博士生）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

超表面是一種由特征尺寸在亞波長量級的納米結構陣列組成的人工二維材料。通過設計納米單元的結構參數，可以實現對光場的振幅、相位和偏振等參量的靈活調控。這種強大的多自由度操縱光波的能力使得超表面不僅在光場調控方面發揮了重要作用，同時也為全息技術的發展提供了新的途徑。

基于超表面的全息方法相比于傳統全息方法具有視場角大、分辨率高等優點，現已得到了廣泛地研究，并在全息成像/顯示，VR/AR，數據存儲與加密等領域展現出重要的應用價值。其中，實現超表面全彩全息能夠有效提高顯示與存儲的密度，已然成為了相關領域的研究熱點。

當前，通過單片集成、窄帶響應、角度/偏振復用等方法實現的全彩全息超表面，仍面臨著結構復雜、單元選取困難等問題，且這些方法多是基于純相位調制，無法控制目標彩色全息圖像的偏振結構，更不能實現偏振的多路復用，信息容量受到限制。

鑒于此，西北工業大學的趙建林教授團隊提出了一種可實現全偏振自由度調控彩色全息顯示與加密的超表面器件。利用四原子宏像素幾何相位超表面對左、右旋圓偏振分量進行復振幅調控以及k空間調制，可以將全彩色全息圖復用至任意偏振通道中。同時，基于全偏振自由度調控以及HSB三維色彩空間調制，演示了該器件在信息加密場景中的應用。

藝術效果圖：HSB圖像加密

相關研究成果以 Full-Color Holographic Display and Encryption with Full-Polarization Degree of Freedom 為題發表于Advanced Materials。

研究團隊利用正交圓偏振態幾何相位的共軛特性，選取兩種不同的結構單元（對角和反對角單元）構成四原子復合結構，通過反相設計實現了左、右旋圓偏振分量振幅和相位的獨立調控，利用其相干疊加實現了透射場偏振態的調控。進一步，通過k空間調制，借助幾何相位的寬帶特性，通過色散和色差調制，實現了全偏振自由度調控的彩色全息。

圖1. 全偏振自由度調控彩色全息超表面的示意圖。(a)k空間調制示意圖。(b)四原子結構示意圖。

首先選取了6個具有不同方位角、橢圓度和手性的典型偏振態進行了重建，實驗結果如圖2a-f所示。對于均勻偏振調制，在單個復合結構中（見SEM圖像），兩種結構單元的方位角之和即為疊加偏振態的方位角，而兩種結構單元的調控效率比（尺寸相關）決定了偏振態的橢圓度，因此可以實現龐加萊球上任意一種偏振態編碼。

圖2. 任意偏振編碼單色全息顯示的實驗結果。(a-f)具有不同輸出偏振態的單色全息圖像，以及對應超表面的局部SEM圖像。(g)龐加萊球示意圖，圖中藍點和紅點分別為設計和測量的偏振態。

由于目標場產生在第一衍射級次上，這就提供了通過k空間調控實現彩色全息的可能性。此時，在全息圖計算中進行色散和色差補償，并利用幾何相位調制的寬波段響應特性，即可實現具有全偏振自由度的彩色全息顯示。圖3為具有任意偏振態彩色全息顯示的實驗結果。

圖3. 具有任意偏振態的彩色全息顯示。圖分別為(a)目標彩色圖像，(b)實驗重建圖像，(c)檢偏結果。圖中紅色箭頭表示設計的偏振方向，藍色箭頭表示檢偏器方向。

在上述基礎上，研究團隊采用了相干像素的方法實現了左、右旋圓偏振分量獨立的復振幅調控，進而實現了目標圖像的非均勻偏振編碼。進一步，利用馬呂斯定律，將圖像亮度信息進行偏振編碼（偏振方向或橢圓度），從而將可調制的色彩由二維RGB平面擴展到HSB三維彩色空間。基于此，研究團隊演示了其在信息加密中的應用，即目標光場被調制為具有均勻強度分布和非均勻偏振分布，經過偏振濾波，獲得隱藏其中的彩色圖像。

圖4. 偏振編碼的真彩色全息顯示與加密。(a)非均勻空間偏振分布。(b)HSB三維彩色空間。(c)彩色全息圖像偏振加密。

總結展望：

該工作提出了一種由幾何相位單元組成的四原子宏像素超表面，可以將多個波長的振幅與相位信息編碼到任意偏振通道中，有效地避免了復雜的結構搜索和制備過程。此外，通過非均勻偏振編碼，實現了HSB三維色彩空間全息顯示。所提出的超表面器件為輕量3D顯示、AR/VR設備提供了一個通用平臺。同時，單器件集成的全彩色和全偏振自由度聯合調控顯著提高了信息容量和安全性，在全息數據存儲和光通信等面向多路復用的應用中具有巨大的潛力。

論文信息：

Xuyue Guo, Jinzhan Zhong, Bingjie Li, Shuxia Qi, Yu Li, Peng Li, Dandan Wen, Sheng Liu, Bingyan Wei, Jianlin Zhao, Full-Color Holographic Display and Encryption with Full-Polarization Degree of Freedom, Advanced Materials, 2021, 2103192.

西北工業大學為論文唯一單位，博士生郭旭岳為第一作者，李鵬副教授和趙建林教授為共同通訊作者。本研究受國家重點研發計劃、國家自然科學基金、西北工業大學博士論文創新基金資助完成。

論文地址：

https://doi.org/10.1002/adma.202103192

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監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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