↵ * Acești autori au contribuit în mod egal la această lucrare.

meta-holografie

Vedeți toți Ascundeți autorii și afilierile

  • Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Înregistrare ORCID pentru Wei Xiong
  • Pentru corespondență: weixiong @ hust.edu.cnjsxia @ hust.edu.cn

  • Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Înregistrare ORCID pentru Jinsong Xia
  • Pentru corespondență: weixiong @ hust.edu.cnjsxia @ hust.edu.cn

Abstract

Holograma este o metodă ideală pentru afișarea imaginilor tridimensionale vizibile cu ochiul liber. Metasuprafețele formate din structuri de lungime de undă prezintă un mare potențial în manipularea câmpului luminos, care este util pentru depășirea dezavantajelor holografiei comune generate de computer. Cu toate acestea, există provocări de lungă durată pentru realizarea meta-holografiei dinamice în intervalul vizibil, cum ar fi rata redusă de cadre și numărul redus de cadre. În această lucrare, demonstrăm un design de meta-holografie care poate atinge 2 28 de cadre holografice diferite și o rată de cadre extrem de mare (9523 cadre pe secundă) în intervalul vizibil. Proiectarea se bazează pe o metasuprafață a canalului spațial și un modul de modulare cu raze laser structurate dinamic de mare viteză. Canalul spațial este format din nanopiloți de nitrură de siliciu cu o eficiență ridicată a modulației. Această metodă poate satisface nevoile unui afișaj holografic și poate fi utilă în alte aplicații, cum ar fi fabricarea cu laser, stocarea optică, comunicațiile optice și prelucrarea informațiilor.

INTRODUCERE

Ca tehnologie care înregistrează și reconstruiește fronturile de undă ale luminii, holografia este o abordare ideală pentru afișarea tridimensională cu ochiul liber (3D) (1), stocarea datelor optice (2) și prelucrarea informațiilor optice (3). Cu toate acestea, holograma tradițională nu poate crea o reconstrucție holografică a unui obiect virtual sau a unui afișaj dinamic. Pentru a depăși aceste limitări, în 1966, Brown și Lohman (4) au inventat holografia generată de computer (CGH), care utilizează teorii de optică fizică pentru a calcula harta fazelor pe modelul de interferență. În plus, prin utilizarea dispozitivelor digitale, cum ar fi un modulator de lumină spațială (SLM) sau un dispozitiv digital cu oglindă digitală (DMD), CGH poate efectua, de asemenea, un afișaj holografic dinamic (5, 6). Cu toate acestea, există provocări de lungă durată pentru CGH cu SLM/DMD pentru aplicații cu dimensiuni mari de pixeli, cum ar fi câmpul vizual mic (FOV), imagini duble și mai multe ordine de difracție (7, 8).

„/” Nu înseamnă date referitoare la referințe.

În acest studiu, am demonstrat un nou design de meta-holografie în intervalul vizibil bazat pe o metasuprafață multiplexantă a canalului spațial care poate atinge 2 28 de cadre holografice diferite și o rată a cadrelor foarte mare (rata maximă de cadre, 9523 fps). Mai mult, o eficiență ridicată a modulației (mai mare de 70%) pentru fiecare canal spațial a fost atinsă prin aplicarea blocurilor de construcție nanopilară din nitrură de siliciu (SiNx) pentru construcția metasuprafeței.

REZULTATE

Proiectarea și realizarea SCMH dinamic

Inspirația pentru proiectarea meta-hologramei canalului spațial (SCMH) vine din comparația dintre meta-holograma dinamică și tehnologiile comune de afișare 2D. Mijloacele ideale pentru realizarea meta-holografiei dinamice este controlul perfect al fiecărei nanostructuri a metasuprafeței. Aceasta înseamnă că fiecare pixel al elementului trebuie controlat independent la viteză mare, la fel cum funcționează ecranele cu diode emițătoare de lumină sau cu cristale lichide. Lucrările publicate recent demonstrează metasuprafețe cu pixeli liniari controlați individual, care prezintă direcție dinamică a fasciculului și capacități de focalizare (39, 40), care sugerează o cale fezabilă pentru realizarea holografiei dinamice în viitor. Pe lângă aceste ecrane de afișare a pixelilor, există alte două metode utilizate pentru a realiza afișarea 2D dinamică. Unul este să împărțiți întregul grafic în mai multe subgrafe diferite și să le combinați în momente diferite, de exemplu, afișajul tubului digital pe un tablou de bord electronic sau un contor electronic. Cealaltă este afișarea diferitelor cadre dintr-un videoclip continuu la momente diferite, de exemplu, filme convenționale înregistrate și proiectate ca filme cinematografice. Se poate concluziona că ambele sunt metode de canal spațial.

(A) Structura elementului meta-hologramă a canalului spațial. (B și C) Proiectare selectivă meta-hologramă a canalului spațial. Toate imaginile reconstituite se suprapun reciproc dacă toate canalele spațiale au fost deschise în același timp (B). Afișarea meta-holografică dinamică poate fi realizată prin deschiderea canalelor spațiale în secvența proiectată (C). (D la G) Proiectare meta-hologramă multiplexare canal spațial. Imaginile reconstituite ale diferitelor canale spațiale sunt subgrafe ale unui grafic întreg (D). Diferite canale spațiale sunt deschise în secvențe de timp diferite pentru a forma diferite combinații de canale spațiale (E), care reconstruiesc diferite imagini (F) pentru a obține afișare meta-holografică dinamică (G).

  • Descărcați imagini de înaltă rezoluție
  • Deschideți într-o filă nouă
  • Descărcați Powerpoint

(A) Structura elementului meta-hologramă a canalului spațial. (B și C) Proiectare selectivă meta-hologramă a canalului spațial. Toate imaginile reconstituite se suprapun reciproc dacă toate canalele spațiale au fost deschise în același timp (B). Afișajul meta-holografic dinamic poate fi realizat prin deschiderea canalelor spațiale în secvența proiectată (C). (D la G) Proiectare meta-hologramă multiplexare canal spațial. Imaginile reconstituite ale diferitelor canale spațiale sunt subgrafe ale unui întreg grafic (D). Diferite canale spațiale sunt deschise în secvențe de timp diferite pentru a forma diferite combinații de canale spațiale (E), care reconstruiesc diferite imagini (F) pentru a obține afișare meta-holografică dinamică (G).

(A) Modulul de codificare a fasciculului spațial dinamic. DMD modulează lumina incidentă la o viteză mare, de exemplu, maxim 9523 Hz în experimentul nostru. Obiectivul obiectivului și microscopului funcționează ca un sistem 4f pentru a restrânge fasciculul incident codat pentru a ilumina diferitele regiuni ale metasuprafeței. (B) Diagrama geometrică a nanopilarilor SiNx și caracterizarea eficienței transmiterii amplitudinii și răspunsul de fază al nanopilarilor SiNx ca funcții ale razei nanopilarelor la o lungime de undă de 633 nm. Ilustrația este o diagramă geometrică a nanopilarilor SiNx. (C și D) Imagini cu microscopie electronică de scanare (SEM) ale rezultatelor fabricate. Bare de scară, 1 μm.

  • Descărcați imagini de înaltă rezoluție
  • Deschideți într-o filă nouă
  • Descărcați Powerpoint

(A) Modulul de codificare a fasciculului spațial dinamic. DMD modulează lumina incidentă la o viteză mare, de exemplu, maxim 9523 Hz în experimentul nostru. Obiectivul obiectivului și microscopului funcționează ca un sistem 4f pentru a restrânge fasciculul incident codat pentru a ilumina diferitele regiuni ale metasuprafeței. (B) Diagrama geometrică a nanopilarilor SiNx și caracterizarea eficienței transmiterii amplitudinii și răspunsul de fază al nanopilarilor SiNx ca funcții ale razei nanopilarelor la o lungime de undă de 633 nm. Ilustrația este o diagramă geometrică a nanopilarilor SiNx. (C și D) Imagini cu microscopie electronică de scanare (SEM) ale rezultatelor fabricate. Bare de scară, 1 μm.

Meta-hologramă de multiplexare a canalelor spațiale dinamice

După cum sa discutat mai sus, unul dintre design-urile pentru afișarea dinamică implică împărțirea întregii imagini în subgrafe și ilustrarea diferitelor cadre printr-o combinație de subgrafe diferite. Această metodă poate fi utilizată și în proiectarea meta-hologramei de multiplexare a canalelor spațiale. În acest studiu, este proiectat și demonstrat un sistem de afișare cu tub digital holografic metasurfatic, așa cum se arată în Fig. 3A. Întreaga imagine țintă reconstituită este modelul digital al tubului „88:88”, care constă din 28 de subgrafe. În consecință, metasuprafața este împărțită în 28 de canale spațiale diferite, care reconstruiesc subgrafele corespunzătoare așa cum sunt marcate cu numere (a se vedea fig. S1 pentru proiectarea detaliată). Exemplul cadrului „12:12” este demonstrat. Prin codificarea distribuției spațiale a fasciculului laser structurat incident, metasuprafața poate reconstrui un număr imens de cadre diferite, reprezentând un tip de proiectare a diafragmei partajate. Acesta este un design pe 28 de biți, aducând numărul total de cadre la 2 28 = 268.435.456.

(A) Raza laser structurată deschide combinații specifice de canale spațiale și reconstruiește imaginea țintă. (B) Primul și al treilea rând: 10 exemple tipice variind de la 00:00 la 99:99; al doilea și al patrulea rând: modelul de codare a canalului spațial corespunzător al DMD. (C) Imaginea optică a metasurfei fabricate și vizualizarea mărită a unui canal spațial. Bare de scară, 100 și 30 μm. (D) Rezultate experimentale ale meta-hologramei de multiplexare a canalelor spațiale dinamice și modelul corespunzător al fasciculului laser structurat.

  • Descărcați imagini de înaltă rezoluție
  • Deschideți într-o filă nouă
  • Descărcați Powerpoint

(A) Raza laser structurată deschide combinații specifice de canale spațiale și reconstruiește imaginea țintă. (B) Primul și al treilea rând: 10 exemple tipice variind de la 00:00 la 99:99; al doilea și al patrulea rând: modelul de codare a canalului spațial corespunzător al DMD. (C) Imaginea optică a metasurfei fabricate și vizualizarea mărită a unui canal spațial. Bare de scară, 100 și 30 μm. (D) Rezultate experimentale ale meta-hologramei de multiplexare a canalelor spațiale dinamice și modelul corespunzător al fasciculului laser structurat.

Meta-hologramă selectivă a canalului de spațiu dinamic

Un alt design în acest studiu este cel al meta-hologramei selective a canalului dinamic al spațiului, care este similar cu filmele convenționale înregistrate și proiectate ca cinefilme. Eșantionul de metasuprafață este împărțit în multe canale spațiale, care ar reprezenta reconstrucția diferitelor cadre dintr-un videoclip continuu. În acest design, 20 de cadre continue dintr-un scurt video, care arată rotația a patru litere majuscule „HUST” (a se vedea fig. S2 pentru proiectarea detaliată), sunt selectate ca cadre reconstituite ale unei meta-holograme dinamice, așa cum se arată în Fig. 4A (a se vedea fig. S3 pentru harta detaliată a fazelor). Fascicul laser structurat incident este modulat de un DMD ca un fascicul de scanare a spațiului și luminează diferite canale spațiale unice ale metasuprafeței în secvența proiectată. Apoi, cadrele reconstituite se schimbă cu timpul pentru a afișa filmul meta-holografic dinamic, în timp ce rata de cadre a videoclipului holografic depinde de timpul de comutare al DMD. Rezultatele experimentale pentru fiecare cadru sunt prezentate în Fig. 4B. Videoclipul scurt meta-holografic demonstrează practicabilitatea acestei metode (vezi filmul S2).

(A) Raza laser structurată deschide un canal spațial specific în secvența proiectată și (B) sunt afișate cadre continue ale unui videoclip holografic. (C) Un afișaj holografic 3D dinamic este realizat de o meta-hologramă selectivă a canalului spațial.

  • Descărcați imagini de înaltă rezoluție
  • Deschideți într-o filă nouă
  • Descărcați Powerpoint

(A) Raza laser structurată deschide un canal spațial specific în secvența proiectată și (B) sunt afișate cadre continue ale unui videoclip holografic. (C) Un afișaj holografic 3D dinamic este realizat de o meta-hologramă selectivă a canalului spațial.

Proiectarea meta-hologramă selectivă a canalului de spațiu dinamic poate fi utilizată pentru a afișa videoclipuri holografice 2D și 3D. O metasuprafață este proiectată pentru afișajul video holografic 3D, așa cum se arată în Fig. 4C. Întregul element meta-holografic inelar este împărțit în opt canale spațiale și fiecare canal spațial este conceput pentru a reconstrui o săgeată 3D în spațiul liber. Parametrii geometrici sunt marcați în Fig. 4C, iar raza internă a metasurfei inelare este r = 150 μm, în timp ce raza exterioară R = 450 μm. Săgețile 3D reconstituite sunt proiectate în cercul central cu o rază de 125 μm și o înălțime între h1 = 2000 μm și h2 = 2020 μm. Opt săgeți 3D sunt poziționate cap la cap în spațiu liber. Câmpul luminos reconstituit al fiecărei săgeți 3D este detectat de un microscop de casă de-a lungul axei z (a se vedea fig. S4 pentru harta de fază detaliată și rezultatele experimentale). Acest lucru demonstrează că acest design poate fi utilizat pe afișaj meta-holografic neted (vezi filmul S3).

DISCUŢIE

MATERIALE ȘI METODE

Fabricarea metasuprafeței SiNx

Fabricarea metasuprafeței SiNx începe de la un substrat de sticlă cu o grosime de 500 μm (fig. S7). Un strat de nitrură de siliciu (n = 2.023 la 633 nm) cu o grosime de 700 nm este depus prin depunerea de vapori chimici îmbunătățită cu plasmă pe substrat. Apoi, un strat de crom de 20 nm este depus prin evaporarea fasciculului de electroni deasupra stratului de SiNx ca o mască dură. Apoi, un strat fotorezistent de 200 nm (CSAR62) este acoperit cu rotire pe partea superioară a stratului Cr. Modelul hologramei este scris prin litografie cu fascicul de electroni (Vistec: EBPG 5000 Plus) și implementat în stratul de fotorezistență după dezvoltare. Modelul este apoi transferat în stratul de mască dură Cr prin gravarea cu plasmă cuplată inductiv (ICP) (Oxford Plasmalab: System 100-ICP-180), iar fotorezistentul rezidual este dezbrăcat de un decapant de plasmă de oxigen (Diener electronic: decapant de plasmă PICO ). În sfârșit, modelul este transferat în stratul SiNx prin următorul proces ICP, iar restul de Cr este îndepărtat prin soluția de coroziune a Cr. Stratul Cr este folosit ca mască dură datorită selectivității extrem de ridicate de gravare între Cr și SiNx.

Configurare optică

Componentele optice și configurarea metasuprafeței de multiplexare dinamică a spațiului sunt prezentate în fig. S8. Laserul He-Ne (Pacific Lasertec, 25-LHP-991-230) la lungimea de undă de 633 nm se propagă printr-un filtru spațial stenoplic și lentilă colimantă și devine un fascicul laser extins cu o calitate adecvată a fasciculului. Apoi, fasciculul laser extins este modulat de un DMD (Texas Instruments, DLP6500FYE) la viteză mare. Fasciculul codificat se propagă prin sistemul 4f format dintr-un obiectiv și un obiectiv de microscop. Cadrele holografice reconstituite sunt colectate de lentile Fourier sau lentile obiective și înregistrate de CCD.

MATERIALE SUPLIMENTARE

Acesta este un articol cu ​​acces liber distribuit în condițiile licenței de atribuire Creative Commons, care permite utilizarea, distribuția și reproducerea nelimitată în orice mediu, cu condiția ca lucrarea originală să fie citată în mod corespunzător.