近日，eLight（IF：27.2）雜志以封面文章報(bào)道了南京大學(xué)馬玲玲助理教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于矢量全息術(shù)的聯(lián)合研究新成果（eLight4, 5 (2024))。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的光機(jī)系列和液晶系列產(chǎn)品將像素化液晶空間復(fù)用與左右旋全息相位差編碼相結(jié)合，展示了一個(gè)多波長(zhǎng)適用、可動(dòng)態(tài)切換的液晶矢量光學(xué)平臺(tái)。

研究背景 

作為一種光學(xué)波形控制技術(shù)，全息術(shù)已成為從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光學(xué)加密等各種應(yīng)用的強(qiáng)大工具。它允許對(duì)光的波前進(jìn)行完整的重建。為了探索多通道光學(xué)通信和增強(qiáng)光學(xué)加密的全部潛力，研究人員在矢量全息術(shù)方面做出了許多努力，它涉及以空間變化的方式操縱偏振和振幅。在不同的方法中，由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元組成的超表面已被證明在以前所未有的精度設(shè)計(jì)電磁波波形方面非常有效。憑借多重設(shè)計(jì)自由度，使用雙原子等離子體超表面、幾何相位介質(zhì)超表面或基于氮化鎵的像素化的超表面，可以產(chǎn)生具有偏振控制的矢量全息圖。然而，基于光刻的超表面的靜態(tài)幾何形狀不可避免地限制了全息術(shù)中的動(dòng)態(tài)和連續(xù)可調(diào)諧性。對(duì)于多用途的應(yīng)用，非常需要具備易于制造和增強(qiáng)功能的智能響應(yīng)矢量光學(xué)平臺(tái)。 液晶作為一種自組裝的軟物質(zhì)本質(zhì)上具有晶體的各向異性和液體的流動(dòng)性，已經(jīng)成為顯示市場(chǎng)的主導(dǎo)力量，也是各種非顯示領(lǐng)域的后起之秀。特別是，幾何相位液晶以其無(wú)光刻制造、靈活可調(diào)諧、高效、平面配置和寬帶寬的優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)波形控制中引起了廣泛關(guān)注，在空間光調(diào)制、信息存儲(chǔ)、全息成像等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，作為一種純相位材料（僅在近場(chǎng)中改變光的相位），傳統(tǒng)的液晶器件只能實(shí)現(xiàn)標(biāo)量光學(xué)全息術(shù)（圖1a），其中液晶全息圖被限制為只能控制具有均勻偏振和隨機(jī)相位分布的全息圖像的光強(qiáng)分布。最近還通過(guò)將液晶與超表面集成來(lái)加入可調(diào)性。具有任意空間變化偏振和強(qiáng)度控制的單材料液晶矢量全息術(shù)仍然具有挑戰(zhàn)性。

設(shè)計(jì)原理

為了解決上述難題，我們展示了一種新的單材料液晶編碼方法來(lái)顯示多功能和可調(diào)諧的矢量全息術(shù)，其中偏振和振幅都在不同的位置被控制。利用提出的雙循環(huán)迭代改進(jìn)的Gerchberg–Saxton（GS）算法，我們生成了螺旋復(fù)用液晶全息圖，以合成具有無(wú)限可能性的全矢量光場(chǎng)。全息光場(chǎng)的強(qiáng)度分布可以根據(jù)空間變化的偏振模式選擇性地和連續(xù)地尋址，該偏振模式由左旋圓偏振（LCP）和右旋圓偏振（RCP）的全息圖像的加權(quán)疊加確定。

圖1：從液晶標(biāo)量全息到液晶矢量全息

單層和單材料液晶矢量全息術(shù)設(shè)計(jì)原理如圖1b所示。液晶超結(jié)構(gòu)由具有LCP和RCP的螺旋復(fù)用相位全息圖的液晶指向矢的棋盤分布組成。值得注意的是，不同顏色（藍(lán)色和紅色）的液晶指向失是相同的材料，但被設(shè)計(jì)作用于不同的圓偏振全息圖。為了獨(dú)立地獲得全息圖像的期望強(qiáng)度和矢量分布，我們提出了一種用于單材料矢量LC全息平臺(tái)的雙環(huán)迭代改進(jìn)的GS算法（圖2）。這里，為L(zhǎng)CP和RCP設(shè)置了兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)圖像，它們具有特定的振幅分布（ 和 ）和明確的相位差分布（）。我們的GS算法涉及兩個(gè)關(guān)聯(lián)的迭代循環(huán)，以優(yōu)化LCP和RCP的LC相位全息圖。同時(shí)，我們有意引入中間步驟來(lái)建立它們的相位之間的相關(guān)性，從而允許同時(shí)優(yōu)化我們?cè)O(shè)計(jì)的、 和 分布。在這種情況下，我們操縱LCP和RCP的全息圖像之間的 分布，同時(shí)讓它們各自的相位分布不受有意控制，解放了一定的設(shè)計(jì)自由度。因此，我們獲得了LCP和RCP的兩個(gè)相位全息圖，用于隨后計(jì)算液晶指向矢分布  和  。最終的液晶指向矢分布  是通過(guò)將  和  空間復(fù)用在一起而獲得的。

圖2：用于矢量液晶全息術(shù)的改進(jìn)Gerchberg-Saxton算法的流程圖。

與具有相對(duì)連續(xù)的液晶指向矢分布的標(biāo)量液晶全息圖不同（圖1a），螺旋度復(fù)用的矢量LC全息圖（圖1b）呈現(xiàn)像素化的輪廓，通常在相鄰域內(nèi)具有液晶指向矢的突變。這種像素化的LC分布對(duì)制造提出了挑戰(zhàn)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)使用高精度光學(xué)元件和精細(xì)對(duì)準(zhǔn)的光路對(duì)動(dòng)態(tài)光圖案化系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)（圖1d），從而可以準(zhǔn)確生成光配向圖案。

可編程偏振控制的矢量LC全息術(shù) 

作為概念驗(yàn)證，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了三組液晶結(jié)構(gòu)，以實(shí)驗(yàn)證明矢量液晶全息術(shù)。我們首先設(shè)計(jì)一種矢量液晶全息時(shí)鐘，該時(shí)鐘基于偏振鑰匙（檢偏器）顯示不同的時(shí)間信息（圖3a）。嵌套了兩組相位全息圖（用于時(shí)針和用于分針），并編碼到一個(gè)LC元件中。RCP和LCP光的入射分別產(chǎn)生“時(shí)針”和“分針”的獨(dú)立全息圖像。通過(guò)LP光照、矢量信息可以被編碼在兩個(gè)全息圖像重疊的區(qū)域中。

圖3 液晶矢量全息時(shí)鐘

為了進(jìn)一步證明了全息振幅和矢量分布的連續(xù)控制，圖4a顯示了全息圖I的目標(biāo)強(qiáng)度分布，描繪了具有連續(xù)變化強(qiáng)度分布的“月球”圖像。我們對(duì)不同位置（從0到π）的相位差進(jìn)行連續(xù)編碼，以生成連續(xù)梯度LP輪廓（圖4b）。為了與月球的月相變化保持一致，我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè)弧形的相位分布。圖4a和4b中的箭頭示出了LP的分布，它們的方向和長(zhǎng)度分別表示偏振矢量場(chǎng)的方向和振幅。為了全面覆蓋龐加萊球面赤道上的矢量信息（圖4c），我們?cè)O(shè)計(jì)了另一種全息液晶超結(jié)構(gòu)II，它采用了相同的“月亮”強(qiáng)度模式，但具有反向的LP分布（從?π/2到0）和弧梯度（圖4d和圖4e）。

圖4 液晶矢量全息月相

除此之外，利用液晶結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧性，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了偏振/電尋址時(shí)序矢量全息動(dòng)畫。目標(biāo)動(dòng)畫片段選自著名的足球比賽“曼聯(lián)2-0樸茨茅斯，2008年1月30日”，其中一名足球運(yùn)動(dòng)員主罰任意球。如圖5a所示，我們分別用LCP和RCP對(duì)足球門（紫色）和比賽得分（藍(lán)色）的區(qū)域進(jìn)行編碼。球員任意球的時(shí)間序列幀（綠色、黃色、紅色和深紅色）用不同的相位差編碼（），這使我們能夠創(chuàng)建全息顯示器的多路復(fù)用時(shí)間序列。

圖5 偏振/電尋址式液晶矢量全息動(dòng)畫

總結(jié)

致謝

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2021級(jí)碩博連讀生王澤宇為本文第一作者，馬玲玲助理教授、仇成偉教授和陸延青教授為本文共同通訊作者。南京大學(xué)胡偉教授、陳偉副研究員、魏陽(yáng)博士后和天津大學(xué)戴海濤教授給予了重要建議與指導(dǎo)，新加坡國(guó)立大學(xué)博士研究生周舟、南京大學(xué)碩士研究生張涵和南京大學(xué)碩士畢業(yè)生于宏冠對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。本工作在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持資助下完成，并得到人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)的大力支持。

作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學(xué)元件與儀器支持。