王雪华教授团队在超构表面图像显示研究方面取得重要进展——单层硅超表面同时实现HSB全彩图像打印和三维全彩全息

王雪华教授团队在超构表面图像显示研究方面取得重要进展——单层硅超表面同时实现HSB全彩图像打印和三维全彩全息

导读】
      近日，来自中山大学和新加坡国立大学的研究团队设计了一种单层的单晶硅超构表面结构，能够对光的振幅和相位进行独立的调控，从而实现彩色打印图像和彩色全息成像的集成，并将色彩扩展到色度、饱和度和亮度（HSB）的三重独立调控。本研究工作以Full-colour nanoprint-hologram synchronous metasurface with arbitrary hue-saturation-brightness control为题于2019年10月23日发表在Light：Science & Applications。
      【研究背景】
      超构表面结构是人工设计的具有亚波长厚度的单层结构，能够灵活的控制光的振幅，相位和偏振。基于超构表面对于不同波长光的振幅按需调控，已经被广泛应用于纳米图像器件的研究，实现了衍射极限分辨率、超高耐久度和如图信息加密等优异功能；基于超构表面对光场相位的精确调控，则可发展新型高集成的彩色立体全息显示技术。尽管，超构表面结构在平面和全息图像的研究中取得了令人欣喜的进展，但基于单层超构表面结构的任意平面和全息图像集成却一直未能实现。此外，由于超构表面结构所呈现的平面色彩仅能实现颜色色度（H）和饱和度（S）的调控，无法实现颜色强度（B）的任意调控，因此，超构表面结构一直无法呈现图像阴影和色彩明暗变化，也就无法完全重现真实世界的画面。上述两个功能缺失极大地限制了超构表面图像技术的进一步发展，是目前该领域研究亟需攻克的难题。
      【创新研究】
      为了实现彩色打印和彩色全息集成，需要超构表面结构能够对于对光的振幅和相位进行独立的调控。虽然在此之前已有多种实现独立调控的方案，但无法适用于可见光谱内多波长的调控。最近，有人提出利用多层复合超构表面结构，用不同层的结构分别针对振幅和相位进行多波长的调控，实现了彩色打印和全息集成，但与此同时，这类设计方案也使得结构的整体厚度提升，不仅加大了制备难度、降低设备的集成度，更重要的是只能实现有限的色彩显示，缺少平面色彩的强度调控。
      近日，中山大学物理学院王雪华教授和团队成员周张凯副教授、包燕军研究员及新加坡国立大学仇成伟教授等提出了一种能有效克服上述两个功能缺失的方法。基于团队前期发展的相干相位设计理念（Adv. Funct. Mater. 28, 1805306,2018），他们设计两个硅纳米棒作为超构表面的基本相干像素结构单元，从而实现光场透射的有效调控。通过独立控制两个纳米棒的转角，可以实现单层结构对振幅和相位的独立调控，从而能够在单层纳米结构上实现任意全息与平面图像的集成。更进一步，针对于彩色平面图像，可以通过硅纳米棒的尺寸（即单根纳米棒的长和宽）以及纳米棒之间的转角差的控制，实现颜色HSB三参数的按需调控，从而将超构表面结构色的调控能力从二维的色度-饱和度平面，真正拓展到三维的色度-饱和度-强度空间（如图1）。

以上研究成果将丰富和拓展超构表面在图像器件方面的应用，比如实现有阴影信息的彩色图像打印，开发新型全彩平面与彩色全息图像的集成显示技术，研制基于平面和全息图像集成的纳米隐写信息安全技术等。同时，该工作中体现的相干像素设计理念也将对于复杂光场调控问题提供新的解决思路和方案。该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、“广东省特支计划”科技创新青年拔尖人才、广东省自然科学杰出青年项目和一般项目、广州市科技创新委“珠江科技新星”项目、中山大学基本业务费、以及光电材料与技术国家重点实验室、国家超级计算广州中心等项目的大力支持。
      文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-019-0206-2
      原文引自“两江科技评论”微信公众号。
      原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/rScAJyvJby9XS3luyOy92w
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