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標 題：基于電介質超表面的光場復振幅調控與全息顯示研究

英文標題：Complex-amplitudemodulation of light field and holographic display based on dielectric metasurfaces

作 者：郭旭岳

指導教師：趙建林教授、李鵬副教授

培養院系：物理科學與技術學院

學 科：光學工程

讀博寄語：非寧靜無以致遠

主要研究內容

近年來，隨著激光技術應用的不斷深入以及多種加工技術的進步革新，光學元件和系統得到了非常迅速的發展，光學系統的尺寸不斷縮小，愈發集成化。傳統的光學元件通常需要足夠的空間用以沿著光的傳播方向逐漸累積光程差，以此產生相位或偏振調制作用進而實現各種功能。因此，盡管傳統光學元件可以簡單有效地實現對入射光場的調制，但是往往需要多個光學元件的組合協同作用，導致體積往往較大，從而嚴重限制了光學系統的集成化發展。同時，傳統光學元件往往會伴隨多級衍射，這無疑也導致了光場調控效率低下、系統穩定性差等，在一定程度上限制了光場調控研究的進一步發展。在此背景之下，人們迫切地需要發展超輕超薄、易集成的光學元件。超表面（Metasurface）的出現，提供了一種新型的光場調控機制與方法，拓展了操縱光場分布的靈活性和自由度。

光學超表面特性

超表面是近些年來提出的一種新型人工結構材料，具備在亞波長尺度范圍內調控光束的振幅、相位及偏振態的能力。2011年，哈佛大學Capasso教授等首次提出了超表面的概念，利用V型金屬天線設計了相位梯度超表面，由此開啟了利用超表面實現光場調控的新篇章。不同于傳統的光學元件，超表面具有新穎的光場調控機理和靈活性，主要表現為以下三點：（1）超表面由微納米尺寸的結構組成，這為器件的小型化、集成化提供了良好的途徑；（2）這種結構對光波波前的調制作用在小于波長的距離內完成，相當于發生在界面處的相位突變，通過合理設計相位梯度，可以實現對光波波前的調制；（3）超表面不僅可以調控電場分量，也可實現對磁場分量的調控，選取合適的耦合模式可以實現對光波透射與反射的控制。

獨特的調控機理和靈活的設計方式使得超表面具有非常豐富的光場調控自由度，表現出強大的調控能力。通過合理的設計，能夠在亞波長尺度上實現對光場波前振幅、相位和偏振態的靈活調控，為現代光學元件與系統的小型化、集成化提供了全新的技術途徑。經過十多年的研究與發展，超表面在多個領域都得到了廣泛應用。在光場調控中可用于特殊光場的產生，如渦旋光束、矢量光束、拓撲光場等；利用超表面的尺寸優勢，可以實現超小型的光學元件，如波片、超透鏡以及回路器。此外，超表面的出現也為全息術的發展提供了新的途徑，可用于實現全息顯示、三維成像以及增強現實等。隨著研究的不斷深入，利用超表面進行光場單個參量的調控研究已經日臻成熟，此類超表面器件逐漸暴露出功能單一，應用受限等缺點。因此，實現光場多個參量的聯合調控，制備高性能、功能多樣化、應用范圍廣的器件，是超表面發展及實用化的必然趨勢。

本研究針對光學超表面現存的光場調控自由度不足、應用功能單一等關鍵問題，基于電介質超表面探索了光場多參量解耦的新機制，提出了光場多自由度調控的新方案，進一步發展了用于全息顯示與加密等的功能超表面器件。具體研究內容如下：

1.基于單層電介質超表面的光場多維度調控

基于電介質納米結構的偏振相關調制機理，提出了一個完整的模型來描述單層電介質超表面的光場全空間參量調控機制。進一步在實驗中采用常用的硅介質超表面，實現了從單一空間自由度的精確調制到多個參量的同時調控。同時，分析了該超表面器件在寬帶響應和三維操縱中的的適用原則。研究結果為功能化超表面的靈活設計、應用擴展，以及利用復雜結構實現更豐富的光波操縱和應用，提供了基本模型與指導。

基于電介質超表面的光場偏振相關調控機理

2.基于隨機傅里葉編碼的可見光寬波段全息顯示

在超表面全息顯示中，設計原理與編碼方法是影響最終成像效果的關鍵。然而傳統的全息圖編碼方法均存在一定的弊端，如經典的GS算法收斂速度慢，當迭代次數不夠充分時，重建圖像具有局部失真的情況，不能充分的顯示重建圖像的真實性。為此，基于光柵衍射的相位光柵法和基于雙相位低通濾波的棋盤法先后被提出，但依舊存在效率低和空間帶寬損失的問題。針對上述問題，提出了一種基于隨機傅里葉相位編碼的全息超表面設計方法，實現了在可見光波段的高質量全息顯示。相比于傳統的編碼方法，該方法利用二進制隨機調制函數，將目標光場的頻譜振幅編碼到相位上，生成純相位傅里葉變換全息圖。進一步，通過分析圖像質量評價指標，證明了該全息超表面在可見光波段的高質量顯示性能。此外，該編碼方法并不局限于對光場的振幅重建，相位信息也可以得到很好地恢復。

隨機編碼及寬波段全息顯示

3.偏振可切換拓撲結構光場的多通道產生

拓撲結構光場是近年來引起研究者們廣泛關注的一類特殊結構光場，其具有與相位奇異性相關的渦旋結和鏈，可以作為量子力學物質波的拓撲波導。構建光學結、鏈對開展拓撲量子場、拓撲流體動力場的光學模擬及關聯運算等具有重要意義。拓撲結構的構建依賴于光場振幅與相位的精確再現，然而，光學結、鏈對調制的高斯光束大小較為敏感，傳統的基于空間光調制器的全息法實現光場重建時，存在體積大、系統復雜度高以及無法多參量調控等缺點，嚴重制約了其在微納光學和納米光子集成等領域的進一步研究與應用。針對這些問題，提出了一種能夠實現多通道產生具有超小尺寸拓撲結構光場的全息電介質超表面。利用設計的超表面，可以通過調控入射光的自旋態，在兩個正交偏振通道中實現光學渦旋結（Trefoilknot）與鏈（Hopf link）的切換，其橫向尺度僅為220μm，并且效率達到54.5%。進一步，分析并證明了該特殊光場在微納尺度上拓撲演化的魯棒性，有望應用于拓撲結構領域的光學信息處理。

多通道超表面及拓撲光場結構示意圖

4.基于自旋解耦復振幅調控的光場多參量調控

實現光場多參量調控，制備多功能器件是目前超表面發展的趨勢。將獨立的振幅和相位信息編碼到一組正交的偏振態上在偏振光學、信息編碼、光數據存儲和安全等方面具有廣泛的應用前景。通過結合納米結構的幾何相位與傳輸相位調制，并利用四原子結構中各單元之間的偏振相關干涉作用，實現了正交圓偏振態上獨立的振幅與相位聯合且獨立的調控。基于該原理，實驗上實現了微納尺度上完美矢量渦旋光束的產生，以及偏振可切換的三維全息顯示場景。該方案豐富了超表面的光場調控維度，在矢量全息、偏振復用等方面有巨大的潛力。

四原子超表面結構示意圖及相關實驗結果

5.全偏振自由度調控的彩色全息顯示與加密

超表面為調控光場提供了一個緊湊而強大的平臺，在全息顯示、光學存儲與信息加密方面展現出巨大的應用前景。其中，擴展復用自由度是提高信息存儲與信息處理能力的重要手段。為此，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，不僅可以先實現HSB三維色彩空間的真彩色全息顯示，還可以用于全息三維成像以及信息加密場景。相關成果在三維顯示、AR/VR、數據存儲與加密等方面具有廣泛的應用前景。

偏振編碼的真彩色全息顯示與加密

主要創新點

（1）提出了描述單層電介質超表面光場全空間參量調控的完整模型，揭示了其實現光場單一維度到多維調控的基本規律和特點。同時，基于相位調控與原理，提出了一種基于隨機傅里葉相位編碼的全息超表面設計方法。

（2）提出了一種基于自旋解耦相位調控的多通道產生拓撲結構光場的全息電介質超表面，分析證實了該特殊光場在微納尺度上拓撲演化的魯棒性；進一步通過引入四原子結構實現了自旋解耦復振幅調控，并基于此提出了一種光場振幅、相位、偏振態的完全解耦調控方案。

（3）提出了一種可實現全偏振自由度調控的彩色全息顯示與加密光學超表面。利用宏像素幾何相位超表面，實現了多波長光場振幅、相位、偏振態的完全解耦調控，成功將全彩色全息圖復用至任意偏振通道中，并應用于全息三維顯示以及信息加密場景。