全息術(shù)——記錄和重建光場(chǎng)的科學(xué)——長(zhǎng)期以來一直是成像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和加密領(lǐng)域的核心技術(shù)。然而，傳統(tǒng)全息系統(tǒng)依賴笨重的光學(xué)裝置和干涉實(shí)驗(yàn)，難以應(yīng)用于緊湊型或集成化設(shè)備。基于Gerchberg-Saxton（GS）算法等計(jì)算方法通過消除物理干涉圖案的需求簡(jiǎn)化了全息圖設(shè)計(jì)，但這些方法通常只能產(chǎn)生具有均勻偏振的標(biāo)量全息圖，限制了可編碼的信息量。

為突破這些限制，香港科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和香港大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種通用策略，利用超薄超表面實(shí)現(xiàn)矢量全息——即能同時(shí)編碼光強(qiáng)和偏振態(tài)的全息技術(shù)。據(jù)《先進(jìn)光子學(xué)》報(bào)道，這種方法可在任意入射偏振下工作，并能生成具有空間變化偏振態(tài)的復(fù)雜圖像，顯著擴(kuò)展了全息的信息容量。

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矢量超全息圖示意圖及其設(shè)計(jì)過程

研究團(tuán)隊(duì)通過將GS算法與波分解技術(shù)相結(jié)合，計(jì)算出構(gòu)成超表面的基本單元——超原子所需的散射特性。這些基于金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)的超原子經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可同時(shí)控制相位和偏振轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整幾何參數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度，研究人員利用結(jié)構(gòu)共振和Pancharatnam-Berry相位實(shí)現(xiàn)了對(duì)反射相位和偏振態(tài)的精確控制。這種方法設(shè)計(jì)的超表面厚度僅為工作波長(zhǎng)的四分之一，樣品尺寸小于200×200微米，非常適合芯片集成。

為驗(yàn)證概念，團(tuán)隊(duì)采用電子束光刻技術(shù)制備超表面，并在1064納米近紅外光下進(jìn)行測(cè)試。他們創(chuàng)建了兩組矢量全息圖：一組具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性作為基準(zhǔn)，另一組則包含時(shí)鐘、花朵和飛鳥等復(fù)雜非對(duì)稱圖案。每幅圖像在不同區(qū)域呈現(xiàn) distinct 的偏振態(tài)，當(dāng)通過旋轉(zhuǎn)偏振片觀察時(shí)，圖案會(huì)動(dòng)態(tài)變化，隨著不同部分的顯現(xiàn)或消失實(shí)現(xiàn)"講故事"的效果。這一特性表明其在光學(xué)加密和防偽領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。值得注意的是，該超表面實(shí)現(xiàn)了高效率，其中一個(gè)器件效率接近68%，性能優(yōu)于以往的矢量全息系統(tǒng)。

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第一個(gè)系列矢量超全息圖的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和表征。

這項(xiàng)研究為高效、偏振無關(guān)的矢量全息技術(shù)提供了一個(gè)多功能平臺(tái)。其超薄特性及與芯片光學(xué)的兼容性，使其在安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、新一代防偽技術(shù)和集成光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。該方法還可適配其他波長(zhǎng)范圍和透射模式，未來若采用介電材料等改進(jìn)方案，有望進(jìn)一步提升性能。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.5.056004