Principe de la conception de l'holographie de métasurface et résultats statistiques du nombre de chaque nanofin (sections transversales et angles d'orientation différents) contenus dans les hologrammes de métasurface conçus. Illustrations schématiques d'hologrammes multiplexés en polarisation basés sur des métasurfaces diélectriques. Les flèches rouges et bleues indiquent la polarisation de la lumière incidente et l'axe de transmission du polariseur placé derrière l'échantillon de métasurface. Le rouge, bleu, et la couleur verte des images reconstruites (les mots « holographie », "méta", et "surface") représentent les composants de la lumière de sortie, respectivement. a) Polarisation à deux canaux et hologramme à multiplexage angulaire basé sur des métasurfaces composées de nanofins avec des sections transversales différentes mais des angles d'orientation fixes, qui peut être utilisé pour reconstruire deux ensembles d'images hors axe. b) Hologramme multiplexé à polarisation multicanal basé sur des métasurfaces composées de nanofins avec des sections transversales et des angles d'orientation différents, qui permet de reconstruire trois images indépendantes et toutes les combinaisons de ces images (12 canaux au total). c) Hologramme à polarisation et à angle multiplexé à deux canaux (permet l'apparition de "tigre de bande dessinée", "bonhomme de neige de dessin animé", "théière", "tasse"), b) Hologramme multiplexé en polarisation multicanal (apparition du mot « holographie », "méta", « surface ») c) Hologramme multiplexé en polarisation multicanal (apparence de « dés ») d Hologramme multiplexé en polarisation multicanal (apparence d'une « personne dessinée »). Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
L'holographie est un outil puissant qui peut reconstruire les fronts d'onde de la lumière et combiner les propriétés d'onde fondamentales de l'amplitude, phase, polarisation, vecteur d'onde et fréquence. Les techniques de multiplexage intelligent (intégration de signaux multiples) ainsi que les conceptions de métasurface sont actuellement très demandées pour explorer la capacité de concevoir des systèmes de stockage d'informations et d'améliorer la sécurité du cryptage optique à l'aide de tels hologrammes de métasurface.
L'holographie basée sur les métasurfaces est un candidat prometteur pour des applications dans les affichages/stockage optiques avec une énorme capacité de support d'informations ainsi qu'un large champ de vision par rapport aux méthodes traditionnelles. Pour réaliser pratiquement des hologrammes de métasurface, les profils holographiques doivent être codés sur des nanostructures ultrafines qui possèdent de fortes interactions lumière-matière (interactions plasmoniques) à une distance ultracourte. Les métasurfaces peuvent contrôler les ondes lumineuses et acoustiques d'une manière inconnue dans la nature pour fournir une plate-forme flexible et compacte et réaliser une variété d'hologrammes vectoriels, avec des informations de grande dimension qui dépassent les limites des cristaux liquides ou des photoresists optiques.
Parmi les techniques existantes utilisées pour obtenir des propriétés optiques hautement souhaitées, le multiplexage de polarisation (intégration de signaux multiples) est une méthode intéressante. La forte diaphonie associée à de telles plateformes peut, cependant, être évité avec des métasurfaces biréfringentes (surfaces bidimensionnelles avec deux indices de réfraction différents) composées d'un seul méta-atome par maille élémentaire pour un multiplexage de polarisation optimisé.
Néanmoins, la pleine capacité de tous les canaux de polarisation reste à explorer pour améliorer la capacité de stockage d'informations dans les hologrammes de métasurface et dans les dispositifs optiques holographiques. Dans une étude récente, Ruizhe Zhao et ses collègues ont présenté une nouvelle méthode pour réaliser l'holographie vectorielle multicanal pour l'affichage dynamique et les applications de haute sécurité. Dans l'étude, des métasurfaces biréfringentes ont été explorées pour contrôler les canaux de polarisation et traiter des informations très différentes par rotation. Les images vectorielles reconstruites pourraient être commutées d'une forme à une autre avec une diaphonie négligeable en sélectionnant une combinaison d'états de polarisation d'entrée/sortie. Les résultats sont maintenant publiés dans Lumière :science et applications .
L'hologramme à polarisation à deux canaux et à angle multiplexé représente un tigre de dessin animé, bonhomme de neige de dessin animé, théière et tasse à thé. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Les scientifiques ont d'abord dérivé un algorithme de multiplexage pour prendre en charge l'affichage holographique vectoriel dynamique et le processus de cryptage. En utilisant les touches de polarisation correctes, le destinataire pourrait obtenir les informations exactes fournies. En augmentant la complexité de telles images, une flexibilité encore plus élevée a été obtenue parallèlement à une analyse détaillée des propriétés de l'image vectorielle reconstruite. Étant donné que le dispositif contenant des métasurfaces est de taille compacte, en pratique, il peut être facilement transporté avec des informations codées.
Pour modéliser la conception d'intérêt, Zhao et al. conçu plusieurs métasurfaces de silicium diélectrique sur un substrat de verre à l'aide d'une gravure au plasma, suivi d'une lithographie par faisceau d'électrons. Les métasurfaces étaient composées de 1000 x 1000 nanofins, c'est-à-dire des nanostructures capables d'augmenter le transfert de chaleur via l'amélioration de la surface et les interactions liquide-solide. Les chercheurs ont étudié deux schémas de canaux de polarisation multiples; avec ou sans rotation en utilisant les métasurfaces diélectriques biréfringentes pour réaliser les hologrammes.
a) Illustration schématique d'une nanofin de silicium amorphe positionnée sur un substrat de verre. La métasurface sera composée d'un arrangement périodique de telles cellules unitaires. b–e) Résultats de simulation pour l'amplitude et la phase des coefficients de transmission txx et tyy indiqués pour une optimisation des paramètres 2D en utilisant une méthode rigoureuse d'analyse des ondes couplées. La longueur et la largeur de la nanofin sont toutes deux balayées dans la plage de 80 à 280 nm à une longueur d'onde incidente de 800 nm. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Les métasurfaces diélectriques biréfringentes ont été conçues à l'aide de nanofines de silicium sur un substrat de verre. Pour obtenir les déphasages souhaités, L'optimisation des paramètres 2-D a été réalisée à l'aide d'une méthode rigoureuse d'analyse des ondes couplées (RCWA). La méthode semi-analytique RCWA est généralement appliquée en électromagnétisme computationnelle pour résoudre la diffusion à partir de structures diélectriques périodiques. La longueur L et la largeur W de la nanofin étaient de l'ordre de 80 à 280 nm, hauteur à 600 nm et taille de période P à 400 nm. Les valeurs ont été soigneusement sélectionnées pour garantir que la phase de la lumière de sortie élimine tous les ordres de diffraction indésirables. Pour la simulation, la nanofin a été placée sur un substrat de verre et soumise à une longueur d'onde fixe de lumière incidente à 800 nm. Les résultats de simulation ont indiqué que l'amplitude de transmission pour la plupart des nanofins avec diverses sections efficaces dépassait 90 pour cent d'efficacité. Les scientifiques ont déterminé les angles d'orientation des nanofins en utilisant des équations dérivées de l'étude pour démontrer expérimentalement le multiplexage de polarisation multicanal.
Installation expérimentale et images de microscopie électronique à balayage des échantillons de métasurface fabriqués. a) Le montage expérimental pour l'observation des images holographiques. Les deux polariseurs linéaires (LP1, LP2) et deux lames quart d'onde (QWP1, QWP2) sont utilisés pour définir la combinaison de polarisation précise pour la lumière incidente/transmise. L'objectif image le plan focal arrière de l'objectif du microscope (×40/0,6) vers une caméra CCD. b–e) Images de microscopie électronique à balayage de deux échantillons de métasurface de silicium fabriqués typiques montrés avec une vue de dessus et de côté. Les hologrammes de métasurface sont composés de 1000 × 1000 nanofins avec différentes sections transversales et angles d'orientation. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Pour la caractérisation optique des hologrammes de métasurface, Zhao et al. utilisé un dispositif expérimental. Le rapport de grossissement et l'ouverture numérique de l'objectif ont été soigneusement choisis pour collecter toute la lumière de diffraction de l'échantillon et reconstruire des images holographiques dans le plan de Fourier. Les scientifiques ont utilisé un deuxième objectif/lentille pour capturer le plan de Fourier sur une caméra CCD. Ils ont également observé séparément deux images de microscopie électronique à balayage des échantillons avec ou sans rotation pour caractériser la surface conçue.
Comme preuve de principe, en utilisant les métasurfaces, Zhao et al. ont construit des images holographiques d'un tigre de dessin animé et d'un bonhomme de neige qui sont apparus avec une haute fidélité et une haute résolution lorsqu'ils sont illuminés par une lumière polarisée X. Lorsque la lumière incidente a été commutée sur la polarisation y, les images reconstruites ont changé en une théière et une tasse de thé. Dans cette expérience, seuls deux canaux de polarisation étaient disponibles dans la configuration, avec les deux paires d'images holographiques reconstruites et faites disparaître simultanément en faisant tourner le polariseur derrière l'échantillon. Les résultats expérimentaux étaient en accord avec la simulation pour confirmer le principe de conception fondamental de l'étude. L'efficacité de diffraction nette de l'hologramme a été définie comme le rapport de l'intensité de l'image reconstruite unique à la puissance de la lumière incidente.
Hologrammes multicanaux multiplexés en polarisation (« Dice »). Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0091-0.
Les scientifiques ont pu concevoir et construire des fonctionnalités de multiplexage plus complexes avec 12 canaux en utilisant les mêmes principes de conception par la suite. Les images vectorielles ont été vues comme des reconstructions holographiques avec les combinaisons de polarisation entrée/sortie développées comme proposé. La technique pourrait également être utilisée pour crypter différentes images au même emplacement spatial. En chiffrement, une telle superposition peut donner un sens différent à la reconstruction. Par exemple, les scientifiques ont choisi l'image d'un dé avec six surfaces représentatives, et en utilisant différentes combinaisons d'états de polarisation d'entrée/sortie, encodé jusqu'à six images pour la visualisation.
L'algorithme de multiplexage dérivé de l'étude a facilité l'affichage holographique vectoriel dynamique et le cryptage des images codées sur des métasurfaces diélectriques biréfringentes. En utilisant les touches de polarisation correctes, un récepteur pourrait obtenir les informations exactes fournies. Une plus grande flexibilité pourrait être obtenue en augmentant la complexité de l'image et en changeant le support de cryptage en dioxyde de titane (TiO
L'hologramme multicanal maintenait une bande passante de travail relativement importante puisque les images reconstruites pouvaient être observées loin de la longueur d'onde conçue de 800 nm. L'étude a établi une technique de conception et d'ingénierie qui combinait les propriétés biréfringentes de simples nanofines utilisées comme éléments constitutifs, avec une liberté de conception supplémentaire de la matrice de rotation et des algorithmes de multiplexage intelligents. Les résultats ont permis d'obtenir des hologrammes multiplexés à polarisation multicanaux de grande dimension, avec jusqu'à 12 canaux de polarisation. De cette façon, Un cryptage efficace basé sur la lumière et des techniques d'affichage holographique multicanal intégrées peuvent ouvrir la voie à une communication avancée dans les applications de haute sécurité.
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