新加坡国立大学（C.W. Qiu 组）与多国研究人员合作实现了用于6-bit自旋和波长编码全息的非交错型超表面结构器件。这种新型多功能器件利用简洁的非交错型单一尺寸的硅纳米砖阵列和极简的空间自由度实现6-bit自旋和波长编码的色彩全息。这种方法极大地提高了单一超表面结构器件携带的信息量，提升了携带信息的安全度，同时降低了加工的复杂度和集成的难度。相关工作以《Noninterleaved Metasurface for (26?1) Spin-and Wavelength-Encoded Holograms》为题，发表在《Nano Letters》上。 DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04246

文章作者：Lei Jin, Zhaogang Dong, Shengtao Mei, Ye Feng Yu, Zhun Wei,Zhenying Pan, Soroosh Daqiqeh Rezaei, Xiangping Li, Arseniy I. Kuznetsov, YuriS. Kivshar, Joel K. W. Yang, and Cheng-Wei Qiu

在小型化和系统集成化的发展趋势下，光学系统迫切需要超薄且多功能的光学元件。超表面作为一种可在亚波长尺寸下局部灵活调控光束相位、振幅和偏振状态的人工结构，是携带多重信息并实现多功能光学器件的理想结构。目前，通过超表面可实现偏振依赖型光学器件，波长调控型器件和空间信号分离型器件，如偏振分光镜，消色差透镜，多平面全息等。多功能光学器件必须抑制各功能间的串扰问题，现有的方法主要局限于以下两种设计方案：1. 复杂的多尺寸单元结构交错型纳米结构(不同单元负责不同波长和自旋的操控)，或2. 引入额外空间自由度实现各信息的空间隔离。但这些方法增加了加工的复杂度和系统集成的难度。

研究人员设计并制造了可同时控制正入射的红、绿、蓝三色左、右自旋光在光轴上实现6-bit自旋和波长编码全息的非交错型超表面结构器件（图一）。该器件是由简洁的非交错型硅纳米砖阵列根据设计的相位分布排列组成，所有硅纳米砖都完全一样几何形态和单一尺寸，通过调整面内转角提供在可见光范围内的自旋调控型相位信息。硅纳米砖阵列携带的复合相位分布是两个分别针对左右旋光束的三色全息相位分布的矢量叠加（图二）。此三色全息相位是根据空间色散原理反演得到，得到的相位分布可同时控制三色正入射光在同一平面内重建出不同的全息图像。根据上述硅纳米砖单元结构和复合相位分布设计得到的超表面结构器件可控制正入射的三色左、右自旋光在光轴上重建出不同的全息图像（图三）。通过改变的三色左、右自旋光的组合，该器件可在光轴上重建出63个自旋和波长编码全息图（图四）。

图1 示意图和单元结构

（a）非交错型6-bit超表面结构器件的示意图；

（b）部分试验测得的6-bit自旋和波长编码全息图；

（c）硅纳米砖的结构示意图；

（d）6-bit超表面结构器件部分区域的扫描显微镜图；

（e）当延硅纳米砖长轴方向偏振的光入射时，单元结构的多极子响应；

（f）当延硅纳米砖短轴方向偏振的光入射时，单元结构的多极子响应；

（g）硅纳米砖的转换效率。

图2 复合相位分布的设计原理

（a）当三色右旋光入射时，相位分布φRCP(x0,y0) 可在给定平面上分别重建出“R”，“G”和“B”三色全息图。

（b）当三色右旋光入射时，相位分布φLCP(x0,y0) 可在给定平面上分别重建出“花”，“树叶”和“雪花”三色全息图。

（c） 复合相位分布φ(x0,y0)是由φRCP(x0,y0)和φLCP(x0,y0)的矢量叠加 ，可控制正入射的三色左、右自旋光在光轴上重建出不同的全息图像

图3 自旋和波长调控全息

（a）反演出的复合相位分布；

（b）对应超表面结构的光学显微镜图；

（c）仿真得到的自旋和波长调控全息图；

（d）实验得到的自旋和波长调控全息图。

图4 6-bit自旋和波长编码全息

（a）非交错型6-bit超表面结构器件的示意图；

（b）反演出的复合相位分布；

（c） 对应超表面结构的光学显微镜图；

（d, e, f,g, h）6-bit自旋和波长编码全息图。

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来源：两江科技评论