三重关联的振幅和相位超表面全息

Photonics Research 2022年第3期封面文章：

Hongqiang Zhou, Xin Li, Zhentao Xu, Xiaowei Li, Guangzhou Geng, Junjie Li, Yongtian Wang, Lingling Huang. Correlated triple hybrid amplitude and phase holographic encryption based on a metasurface[J]. Photonics Research, 2022, 10(3): 03000678

超表面能够自由调控波前，为集成和变革传统光学器件提供了一个全新的纳米操作平台。近年来，超表面得到快速的发展，已成功应用于小型化光学器件，包括波前整形、非对称传输、全息显示、光学加密、非线性光学、光学隐形等。特别是近几年在智能算法和深度学习算法的助力下，超表面全息技术可以克服实现大视场、独立可选择衍射产生和增强信息容量的挑战，并能够实现更多功能性的应用。

在传统的超表面全息术中，纯相位全息研究占据了主流应用。通常，振幅分布在纯相位超全息算法的设计中都是均匀的。因此，纯相位超表面全息忽略了另一个重要的调制自由度——振幅。利用振幅调控同样可以通过优化的纳米天线阵列生成全息分布并重建所需要的目标图像，称为振幅全息术。振幅全息一般可以通过二值或离散多阶振幅来调控波前。

作为典型的二值调控振幅，光子筛可以通过优化尺寸和空间分布来有效地实现光束整形、涡旋光束等。然而，由于光子筛通常由圆形孔阵列组成，因此失去了偏振敏感特性。然而，我们将混合的介质振幅滤波器和各向异性纳米天线进行有机结合，可以打破纯振幅或纯相位调制的限制，在单一超表面内实现协同振幅-相位调制。

近日，北京理工大学光电学院黄玲玲教授课题组提出并实验验证了两个二值振幅全息图和一幅纯相位全息定量关联算法，首次将振幅和相位全息融合集成到同一片超表面，而不是通过简单的空间复用。实验结果呈现出很好的图像质量和信噪比。研究成果发表于Photonics Research2022年第3期。

为了充分利用超表面的空间带宽积，该团队计算并得到了两个二进制振幅全息图之间的严格定量数学关系，对于相位全息图满足。实际上，三个全息图同步被计算关联，并符合。该团队开发了一种全息图定量关联算法，通过优化“静态”和“动态”纳米天线作为光谱滤波器以及相位调制器来构建全介质超表面以匹配三重关联的全息分布。这些可切换“动态”像素被排布在三幅全息图共用的重叠区域上。

对于“静态”像素，两种各向同性的方形纳米天线被作为两个工作波长下的振幅遮挡和透光像素，即“0”和“1”。而另一种各向异性矩形纳米天线则根据波长选择性被作为光学振幅可调开关按钮（即“动态”像素）。同时，这些各向异性天线可以作为相位贡献者在交叉极化信道中重建相位全息图。因此，通过控制入射波长和输出偏振组合来重建定量关联的三重全息图。

不同于传统的金属光子筛结构，该团队提供了利用全介质超表面实现透光、滤光和相位调控。具体在超表面编码实现方法中，利用波长和偏振通道选择性，设置了两种“静态”纳米天线，用于在同旋但不同工作波长（λ₁，λ₂）通道，且同时符合两幅独立振幅全息图的像素点组合（0, 0）和（1, 1）。

此外，他们还设置了“动态”像素 (0, 1)，即在 λ₂处透明但在λ₁处不透明，用于实现两幅振幅全息图的差集。有意思的是，该“动态”像素在反旋偏振通道中，由于具有各向异性构型，能够实现基于贝里相位原理的纯相位全息调制。

在实验中，该团队在同旋通道和可见光、近红外波长（LCP-LCP，λ₁=510 nm，λ₂=720 nm）分别重建出两个不同的振幅全息图像（蜜蜂和蝴蝶），并且在交叉偏振通道（LCP-RCP，λ₂=720 nm）中重建具有盛开的牡丹的相位全息图，从而验证了该方案的可行性。另一个样品（天鹅、蜂鸟和祥云）也同样表现出很好的全息重建质量（图1）。

编辑 | 方紫璇

1、Ata Ur Rahman Khalid, Fu Feng, Naeem Ullah, Xiaocong Yuan, Michael Geoffrey Somekh. Exploitation of geometric and propagation phases for spin-dependent rational-multiple complete phase modulation using dielectric metasurfaces[J]. Photonics Research, 2022, 10(4): 04000877

2、Yibo Pan, Feng Lan, Yaxin Zhang, Hongxin Zeng, Luyang Wang, Tianyang Song, Guiju He, Ziqiang Yang. Dual-band multifunctional coding metasurface with a mingled anisotropic aperture for polarized manipulation in full space[J]. Photonics Research, 2022, 10(2): 02000416

3、Zihan Zhao, Yue Wang, Xumin Ding, Haoyu Li, Jiahui Fu, Kuang Zhang, Shah Nawaz Burokur, Qun Wu. Compact logic operator utilizing a single-layer metasurface[J]. Photonics Research, 2022, 10(2): 02000316