王雪華教授團(tuán)隊在超構(gòu)表面圖像顯示研究方面取得重要進(jìn)展——單層硅超表面同時實現(xiàn)HSB全彩圖像打印和三維全彩全息

導(dǎo)讀】
??????近日，來自中山大學(xué)和新加坡國立大學(xué)的研究團(tuán)隊設(shè)計了一種單層的單晶硅超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，能夠?qū)獾恼穹拖辔贿M(jìn)行獨立的調(diào)控，從而實現(xiàn)彩色打印圖像和彩色全息成像的集成，并將色彩擴(kuò)展到色度、飽和度和亮度（HSB）的三重獨立調(diào)控。本研究工作以Full-colour nanoprint-hologram synchronous metasurface with arbitrary hue-saturation-brightness control為題于2019年10月23日發(fā)表在Light：Science & Applications。
??????【研究背景】
??????超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)是人工設(shè)計的具有亞波長厚度的單層結(jié)構(gòu)，能夠靈活的控制光的振幅，相位和偏振?；诔瑯?gòu)表面對于不同波長光的振幅按需調(diào)控，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于納米圖像器件的研究，實現(xiàn)了衍射極限分辨率、超高耐久度和如圖信息加密等優(yōu)異功能；基于超構(gòu)表面對光場相位的精確調(diào)控，則可發(fā)展新型高集成的彩色立體全息顯示技術(shù)。盡管，超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)在平面和全息圖像的研究中取得了令人欣喜的進(jìn)展，但基于單層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的任意平面和全息圖像集成卻一直未能實現(xiàn)。此外，由于超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的平面色彩僅能實現(xiàn)顏色色度（H）和飽和度（S）的調(diào)控，無法實現(xiàn)顏色強(qiáng)度（B）的任意調(diào)控，因此，超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)一直無法呈現(xiàn)圖像陰影和色彩明暗變化，也就無法完全重現(xiàn)真實世界的畫面。上述兩個功能缺失極大地限制了超構(gòu)表面圖像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，是目前該領(lǐng)域研究亟需攻克的難題。
??????【創(chuàng)新研究】
??????為了實現(xiàn)彩色打印和彩色全息集成，需要超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)能夠?qū)τ趯獾恼穹拖辔贿M(jìn)行獨立的調(diào)控。雖然在此之前已有多種實現(xiàn)獨立調(diào)控的方案，但無法適用于可見光譜內(nèi)多波長的調(diào)控。最近，有人提出利用多層復(fù)合超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，用不同層的結(jié)構(gòu)分別針對振幅和相位進(jìn)行多波長的調(diào)控，實現(xiàn)了彩色打印和全息集成，但與此同時，這類設(shè)計方案也使得結(jié)構(gòu)的整體厚度提升，不僅加大了制備難度、降低設(shè)備的集成度，更重要的是只能實現(xiàn)有限的色彩顯示，缺少平面色彩的強(qiáng)度調(diào)控。
??????近日，中山大學(xué)物理學(xué)院王雪華教授和團(tuán)隊成員周張凱副教授、包燕軍研究員及新加坡國立大學(xué)仇成偉教授等提出了一種能有效克服上述兩個功能缺失的方法。基于團(tuán)隊前期發(fā)展的相干相位設(shè)計理念（Adv. Funct. Mater. 28, 1805306,2018），他們設(shè)計兩個硅納米棒作為超構(gòu)表面的基本相干像素結(jié)構(gòu)單元，從而實現(xiàn)光場透射的有效調(diào)控。通過獨立控制兩個納米棒的轉(zhuǎn)角，可以實現(xiàn)單層結(jié)構(gòu)對振幅和相位的獨立調(diào)控，從而能夠在單層納米結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)任意全息與平面圖像的集成。更進(jìn)一步，針對于彩色平面圖像，可以通過硅納米棒的尺寸（即單根納米棒的長和寬）以及納米棒之間的轉(zhuǎn)角差的控制，實現(xiàn)顏色HSB三參數(shù)的按需調(diào)控，從而將超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)色的調(diào)控能力從二維的色度-飽和度平面，真正拓展到三維的色度-飽和度-強(qiáng)度空間（如圖1）。

以上研究成果將豐富和拓展超構(gòu)表面在圖像器件方面的應(yīng)用，比如實現(xiàn)有陰影信息的彩色圖像打印，開發(fā)新型全彩平面與彩色全息圖像的集成顯示技術(shù)，研制基于平面和全息圖像集成的納米隱寫信息安全技術(shù)等。同時，該工作中體現(xiàn)的相干像素設(shè)計理念也將對于復(fù)雜光場調(diào)控問題提供新的解決思路和方案。該研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、“廣東省特支計劃”科技創(chuàng)新青年拔尖人才、廣東省自然科學(xué)杰出青年項目和一般項目、廣州市科技創(chuàng)新委“珠江科技新星”項目、中山大學(xué)基本業(yè)務(wù)費、以及光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、國家超級計算廣州中心等項目的大力支持。
??????文章鏈接：??????原文引自“兩江科技評論”微信公眾號。
??????原文地址：??????上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司（簡稱：復(fù)享光學(xué)）誕生于中國的高校實驗室，是一家高科技型光譜儀器公司。公司為科學(xué)家和工程師提供光譜產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)。“讓光譜簡單"是公司發(fā)展理念，“光譜改變生活”是公司的愿景。
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