全彩全息：全偏振自由度调控的显示与加密

撰稿 | 郭旭岳（西北工业大学，博士生）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

超表面是一种由特征尺寸在亚波长量级的纳米结构阵列组成的人工二维材料。通过设计纳米单元的结构参数，可以实现对光场的振幅、相位和偏振等参量的灵活调控。这种强大的多自由度操纵光波的能力使得超表面不仅在光场调控方面发挥了重要作用，同时也为全息技术的发展提供了新的途径。

基于超表面的全息方法相比于传统全息方法具有视场角大、分辨率高等优点，现已得到了广泛地研究，并在全息成像/显示，VR/AR，数据存储与加密等领域展现出重要的应用价值。其中，实现超表面全彩全息能够有效提高显示与存储的密度，已然成为了相关领域的研究热点。

当前，通过单片集成、窄带响应、角度/偏振复用等方法实现的全彩全息超表面，仍面临着结构复杂、单元选取困难等问题，且这些方法多是基于纯相位调制，无法控制目标彩色全息图像的偏振结构，更不能实现偏振的多路复用，信息容量受到限制。

鉴于此，西北工业大学的赵建林教授团队提出了一种可实现全偏振自由度调控彩色全息显示与加密的超表面器件。利用四原子宏像素几何相位超表面对左、右旋圆偏振分量进行复振幅调控以及k空间调制，可以将全彩色全息图复用至任意偏振通道中。同时，基于全偏振自由度调控以及HSB三维色彩空间调制，演示了该器件在信息加密场景中的应用。

艺术效果图：HSB图像加密

相关研究成果以 Full-Color Holographic Display and Encryption with Full-Polarization Degree of Freedom 为题发表于Advanced Materials。

研究团队利用正交圆偏振态几何相位的共轭特性，选取两种不同的结构单元（对角和反对角单元）构成四原子复合结构，通过反相设计实现了左、右旋圆偏振分量振幅和相位的独立调控，利用其相干叠加实现了透射场偏振态的调控。进一步，通过k空间调制，借助几何相位的宽带特性，通过色散和色差调制，实现了全偏振自由度调控的彩色全息。

图1. 全偏振自由度调控彩色全息超表面的示意图。(a)k空间调制示意图。(b)四原子结构示意图。

首先选取了6个具有不同方位角、椭圆度和手性的典型偏振态进行了重建，实验结果如图2a-f所示。对于均匀偏振调制，在单个复合结构中（见SEM图像），两种结构单元的方位角之和即为叠加偏振态的方位角，而两种结构单元的调控效率比（尺寸相关）决定了偏振态的椭圆度，因此可以实现庞加莱球上任意一种偏振态编码。

图2. 任意偏振编码单色全息显示的实验结果。(a-f)具有不同输出偏振态的单色全息图像，以及对应超表面的局部SEM图像。(g)庞加莱球示意图，图中蓝点和红点分别为设计和测量的偏振态。

由于目标场产生在第一衍射级次上，这就提供了通过k空间调控实现彩色全息的可能性。此时，在全息图计算中进行色散和色差补偿，并利用几何相位调制的宽波段响应特性，即可实现具有全偏振自由度的彩色全息显示。图3为具有任意偏振态彩色全息显示的实验结果。

图3. 具有任意偏振态的彩色全息显示。图分别为(a)目标彩色图像，(b)实验重建图像，(c)检偏结果。图中红色箭头表示设计的偏振方向，蓝色箭头表示检偏器方向。

在上述基础上，研究团队采用了相干像素的方法实现了左、右旋圆偏振分量独立的复振幅调控，进而实现了目标图像的非均匀偏振编码。进一步，利用马吕斯定律，将图像亮度信息进行偏振编码（偏振方向或椭圆度），从而将可调制的色彩由二维RGB平面扩展到HSB三维彩色空间。基于此，研究团队演示了其在信息加密中的应用，即目标光场被调制为具有均匀强度分布和非均匀偏振分布，经过偏振滤波，获得隐藏其中的彩色图像。

图4. 偏振编码的真彩色全息显示与加密。(a)非均匀空间偏振分布。(b)HSB三维彩色空间。(c)彩色全息图像偏振加密。

总结展望：

该工作提出了一种由几何相位单元组成的四原子宏像素超表面，可以将多个波长的振幅与相位信息编码到任意偏振通道中，有效地避免了复杂的结构搜索和制备过程。此外，通过非均匀偏振编码，实现了HSB三维色彩空间全息显示。所提出的超表面器件为轻量3D显示、AR/VR设备提供了一个通用平台。同时，单器件集成的全彩色和全偏振自由度联合调控显著提高了信息容量和安全性，在全息数据存储和光通信等面向多路复用的应用中具有巨大的潜力。

论文信息：

Xuyue Guo, Jinzhan Zhong, Bingjie Li, Shuxia Qi, Yu Li, Peng Li, Dandan Wen, Sheng Liu, Bingyan Wei, Jianlin Zhao, Full-Color Holographic Display and Encryption with Full-Polarization Degree of Freedom, Advanced Materials, 2021, 2103192.

西北工业大学为论文唯一单位，博士生郭旭岳为第一作者，李鹏副教授和赵建林教授为共同通讯作者。本研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金、西北工业大学博士论文创新基金资助完成。

论文地址：

https://doi.org/10.1002/adma.202103192

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监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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