Fysiker och materialforskare har utvecklat en kompakt optisk enhet som innehåller vertikalt staplade metasytor som kan generera mikroskopisk text och fullfärgshologram för krypterad datalagring och färgskärmar. Yueqiang Hu och ett forskarteam inom avancerad design och tillverkning för fordonskaross vid College of Mechanical and Vehicle Engineering i Kina implementerade en 3-D integrerad metasurface-enhet för att underlätta miniatyrisering av den optiska enheten. Genom att använda metasytor med ultratunna och kompakta egenskaper, forskargruppen designade optiska element genom att konstruera ljusets vågfront på subvåglängdsskalan. Metaytorna hade stor potential att integrera flera funktioner i de miniatyriserade optoelektroniska systemen. Verket är nu publicerat på Ljus:Vetenskap och applikationer .

Eftersom befintlig forskning om multiplexering i 2-D-planet återstår att fullt ut integrera metasurfaces kapacitet för multi-tasking, i detta arbete, teamet demonstrerade en 3-D integrerad metasurface-enhet. För detta, de staplade en hologrammetayta på en monolitisk Fabry-Pérot (FP) hålighetsbaserad färgfiltermikroarray för att uppnå samtidig överhörning, polarisationsoberoende och mycket effektiva fullfärgsholografi- och mikroavtrycksfunktioner. Den dubbla funktionen hos enheten beskrev ett nytt schema för datainspelning, säkerhet, krypteringsfärgskärmar och applikationer för informationsbearbetning. Arbetet med 3D-integration kan utökas för att skapa platta multi-tasking optiska system som innehåller en mängd olika funktionella metasurface-lager.

Metasytor öppnar en ny riktning inom optoelektronik, tillåter forskare att designa optiska element genom att forma elektromagnetiska vågors vågfront i förhållande till storlek, form och arrangemang av strukturer vid subvåglängden. Fysiker har konstruerat en mängd olika metasytbaserade enheter inklusive linser, polarisationsomvandlare, hologram och orbitala vinkelmomentgeneratorer (OAM). De har visat prestandan hos metasytebaserade enheter för att till och med överträffa konventionella refraktiva element för att konstruera kompakta optiska enheter med flera funktioner. Sådana anordningar är, dock, undanhålls av brister på grund av en minskad effektivitet hos plasmoniska nanostrukturer, polarisationskrav, stor överhörning och komplexitet i avläsningen för optiska enheter med flera våglängder och bredband. Forskarlag kan därför stapla 3D-metasytbaserade enheter med olika funktioner i vertikal riktning för att kombinera fördelarna med varje enhet. Samtidigt som man minskar svårigheterna med integration och ökar designfriheten för att generera nya funktioner och förbättra inkluderingen av optiska enheter för att generera kompakt, multifunktionella enheter.

I det nuvarande arbetet, Hu et al. kombinerade 3D-metasytor för att bilda fullfärgsholografi genom att stapla ett monolitiskt färgfiltermikroarray och hologrammetasytan. Enheten löste flaskhalsproblemen med fullfärgsholografi som stor överhörning och det lilla synfältet (FOV). De fick en färgmikroprintbild genom att belysa enheten med vitt ljus. Forskarna fick en helfärgshologrambild genom att projicera in i fjärrfältet under rött (R), grön (G) och blå (B) laserbelysning (RBG), under blandning med tre oberoende gråskaliga hologrambilder. Den nya 3-D integrerade enheten visade låg överhörning, hög effektivitet och en enkel tillverkningsprocess. Med hjälp av de tunna och platta metasytorna, teamet byggde en integrerad enhet som överträffade traditionella optiska enheter. Arbetet representerar betydande framsteg när det gäller att utforska 3D-integrerade metasytor som polarisatorer och meta-linser för att bilda multifunktionella, ultratunna optiska system.

Forskargruppen utvecklade mikroskala, stegvisa strukturer som innehåller en uppsättning metall/dielektriska/metall Fabry-Pérot (MDMFP) kavitetsresonatorer för att fungera som färgfilter med olika dielektriska tjocklekar. De bevisade att MDMFP -färgfiltren har hög överföringseffektivitet, brett färgomfång (färgintervall) och smala spektrallinjebredder jämfört med plasmoniska färgfilter. De komponerade hologrammetasytan för isotropa dielektriska nanostrukturer för att manipulera utbredningsfasen av ljus vid subvåglängdsskalan och generera högkvalitativ, hologrambilder på långt håll.

Genom att belysa enheten med RGB-lasrar, Hu et al. genererade tre oberoende, monokromatiska gråskalehologrambilder för långt fält för att noggrant blanda de tre kanalerna och uppnå en hologrambild i fullfärg. De designade metaytan för att bilda en projektion vid önskad våglängd och kodad holografisk information på specifikt arrangerade färgfilter, inklusive färgmikroavtrycksinformation. Den experimentella uppställningen hade flera fördelar och enheten kunde enkelt tillverkas med hjälp av vanlig elektronstrålelitografi (EBL) och metallförångningsprocesser.

Under design- och tillverkningsprocessen av 3D-enheterna, Hu et al. konstruerade dielektriska nanohål på hologrammetasytor. Genom att ändra storleken på nanohålen, forskarna fick olika fassvar för att forma den önskade vågfronten för hologrammet. Fasskalningen minskade bara effektiviteten hos hologrammet utan att påverka dess information. Forskargruppen använde ett (poly)metylmetakrylat (PMMA) material med en höjd av 400 nm, även om högre strukturer och material med ett högre brytningsindex kan tillämpas för att uppnå högre diffraktionseffektivitet.

För den grundläggande konfigurationen av färgfiltret, Hu et al. använde en silver (Ag)/vätesilvensioxan (HSQ)/Ag -resonanshålrumsstruktur på ett kvartssubstrat, där silverskikten fungerade som halvreflekterande filmer. Forskargruppen beräknade påverkan av silverfilmstjockleken på RGB -våglängderna som användes i experimenten för att visa undertryckt överhörning på grund av ökad silverfilmstjocklek - men med minskad överföringseffektivitet. När silverfilmen bara var tjockare än 30 nm, överhörningsreduktionen var försumbar. Hu et al. erhållit en avbildning av falsk färgelektronmikroskopi (SEM) av den tillverkade 3D-integrerade metasuranordningen för att verifiera dess struktur. De jämförde de experimentella transmissionsspektra för RGB-kanalen med den teoretiska beräkningen för att visa att resultaten överensstämde väl.

För att uppnå dubbla funktioner för mikroavtryck och holografi, forskarna utvecklade en modifierad Gerchberg-Saxton (GS) algoritm för att koda två typer av oberoende information till ett mikrotryck och ett hologram. Teamet matchade varje pixel i färgbilden till den närmaste färgen i paletten, för att bilda flerfärgade komponenter. De valde lämpliga färgfilter för RGB-kanalerna med liten överhörning mellan varandra för att i slutändan uppnå separata R, G och B, gråskala hologrambilder. De slog sedan samman de tre fasfördelningskomponenterna för att bilda den sista fasen av hologrammet. För att verifiera konceptet, de konstruerade en 3-D integrerad metayta med ett trikromatiskt färgmikrotryck av en holografi av en springande man. Hu et al. jämförde simulerings- och experimentresultatet för att visa att enheten återställde den designade bildinformationen väl. Konceptet med ett mikrotryck och våglängdsmultiplexerat hologram kan användas för kryptering för att förbättra informationssäkerheten. Forskare kan använda olika kombinationer av laserkanaler för att skapa en fullfärgsbild genom att balansera ineffekterna hos RGB.

Baserat på den dubbla funktionen av mikroavtrycket och färgmetahologrammet, forskarna utvecklade två krypteringsenheter. De jämförde de simulerade och experimentella resultaten av de trikromatiska mikrotrycken av den första enheten, som inkluderade massenergiekvationen som föreslogs av Albert Einstein. Mikroavtrycket på 50 x 50 pixlar inkluderade huvudinformationen i rött och bakgrunden i grönt och blått. Forskargruppen projicerade sedan ett färg-metahologram designat parallellt med mikrotrycket och fångade hologrambilden med RGB-laserbelysning. För hologrambilden, de använde ett trikromatiskt porträtt av Albert Einstein, som kombinerade RGB -binära bilder. Liknande, Hu et al. utvecklat ett mikroavtryck av Maxwell -ekvationerna och ett holografiskt porträtt av James Clerk Maxwell.

Forskargruppen använde olika MDMFP-hålrum med olika dielektriska tjocklekar i den integrerade metasyteenheten för att realisera ett fullfärgsmikrotryck av en godtycklig bild. Dessutom, de fick ett fullfärgshologram genom att kombinera gråskala monokroma bilder av RGB-kanalerna. Till exempel, när de nästa kodade metaytan med en fullfärgsbild innehållande gråskaleinformation av en "kinesisk målning av en lotus, "de kunde demonstrera fullfärgsholografi av en rosa lotusblomma med en gul blomkärna, mörkgröna blad, mörkt vatten och röd trollslända. Teamet kunde justera kraften hos de tre lasrarna i experimentet för att uppnå det närmaste resultatet till originalbilden. På grund av de små kanalerna mellan de olika kanalerna, forskarna kunde återställa de flesta detaljerna i målningen genom att kombinera de tre svartvita komponenterna.

På det här sättet, Yueqiang Hu och kollegor föreslog och demonstrerade ett 3D-integrerat metasurface-koncept för att realisera fullfärgsholografi genom att vertikalt stapla en färgfiltermikroarray och en nanostrukturerad hologrammetayta. Innan integrationen enheten visade dubbla funktioner för kryptering och lagring. Forskarna fick miniatyriserade färgmikrotryck under vitljusbelysning och fullfärgshologram med RGB-laserbelysning, med låg överhörning och hög effektivitet jämfört med befintliga tekniker för att uppnå fullfärgsholografi. Arbetet ger utmärkta exempel på att använda metasytor i multifunktionella on-chip optoelektroniska enheter för att miniatyrisera optiska system.

© 2019 Science X Network