Des physiciens et des scientifiques des matériaux ont développé un dispositif optique compact contenant des métasurfaces empilées verticalement qui peuvent générer du texte microscopique et des hologrammes en couleur pour le stockage de données cryptées et les affichages couleur. Yueqiang Hu et une équipe de recherche en conception et fabrication avancées de carrosseries de véhicules du College of Mechanical and Vehicle Engineering en Chine ont mis en œuvre un dispositif de métasurface intégré en 3D pour faciliter la miniaturisation du dispositif optique. En utilisant des métasurfaces aux caractéristiques ultrafines et compactes, l'équipe de recherche a conçu des éléments optiques en manipulant le front d'onde de la lumière à l'échelle de la sous-longueur d'onde. Les métasurfaces possédaient un grand potentiel pour intégrer de multiples fonctions dans les systèmes optoélectroniques miniaturisés. L'ouvrage est désormais publié sur Lumière :science et applications .

Étant donné que les recherches existantes sur le multiplexage dans le plan 2D restent à intégrer pleinement les capacités des métasurfaces pour le multitâche, Dans le travail present, l'équipe a fait la démonstration d'un dispositif de métasurface intégré en 3D. Pour ça, ils ont empilé une métasurface d'hologramme sur un microréseau de filtre couleur à cavité Fabry-Pérot (FP) monolithique pour obtenir une diaphonie simultanée, Fonctions d'holographie et de micro-impression en couleur indépendantes de la polarisation et très efficaces. La double fonction de l'appareil a défini un nouveau schéma d'enregistrement des données, Sécurité, écrans couleur de cryptage et applications de traitement de l'information. Les travaux sur l'intégration 3-D peuvent être étendus pour établir des systèmes optiques multitâches plats qui incluent une variété de couches de métasurface fonctionnelles.

Les métasurfaces ouvrent une nouvelle direction en optoélectronique, permettant aux chercheurs de concevoir des éléments optiques en façonnant le front d'onde des ondes électromagnétiques par rapport à la taille, forme et disposition des structures à la sous-longueur d'onde. Les physiciens ont conçu une variété de dispositifs basés sur les métasurfaces, notamment des lentilles, convertisseurs de polarisation, hologrammes et générateurs de moment angulaire orbital (OAM). Ils ont démontré la performance des dispositifs basés sur les métasurfaces pour surpasser même les éléments de réfraction conventionnels pour construire des dispositifs optiques compacts avec de multiples fonctions. De tels appareils sont, cependant, retenu par des insuffisances dues à une efficacité réduite des nanostructures plasmoniques, exigences de polarisation, grande diaphonie et complexité de la lecture pour les dispositifs optiques multi-longueurs d'onde et large bande. Les équipes de recherche peuvent donc empiler des dispositifs basés sur des métasurfaces 3D avec différentes fonctions dans le sens vertical pour combiner les avantages de chaque dispositif. Tout en réduisant simultanément les difficultés d'intégration et en augmentant la liberté de conception pour générer de nouvelles fonctionnalités et améliorer l'inclusion de dispositifs optiques pour générer des compacts, appareils multifonctions.

Dans le travail present, Hu et al. ont combiné des métasurfaces 3D pour former une holographie en couleur en empilant un microréseau de filtre couleur monolithique et une métasurface d'hologramme. L'appareil a résolu les problèmes de goulot d'étranglement de l'holographie en couleur tels que la grande diaphonie et le petit champ de vision (FOV). Ils ont obtenu une image en micro-impression couleur en éclairant l'appareil avec de la lumière blanche. Les chercheurs ont obtenu une image hologramme en couleur en projetant dans le champ lointain sous rouge (R), éclairage laser vert (G) et bleu (B) (RBG), tout en mélangeant avec trois images holographiques indépendantes en niveaux de gris. Le nouveau dispositif intégré 3-D a montré une faible diaphonie, haute efficacité et un processus de fabrication simple. En utilisant les métasurfaces minces et plates, l'équipe a construit un appareil intégré qui a surpassé les appareils optiques traditionnels. Le travail représente un progrès substantiel dans l'exploration de métasurfaces intégrées en 3D telles que des polariseurs et des méta-lentilles pour former des systèmes optiques ultrafins.

L'équipe de recherche a développé à micro-échelle, des structures pas à pas contenant un réseau de résonateurs à cavité métal/diélectrique/métal Fabry-Pérot (MDMFP) pour agir comme des filtres colorés avec des épaisseurs diélectriques variées. Ils ont prouvé que les filtres de couleur MDMFP ont une efficacité de transmission élevée, large gamme de couleurs (gamme de couleurs) et largeurs de raies spectrales étroites par rapport aux filtres de couleur plasmoniques. Ils ont composé la métasurface d'hologramme de nanostructures diélectriques isotropes pour manipuler la phase de propagation de la lumière à l'échelle inférieure à la longueur d'onde et générer des données de haute qualité, images holographiques en champ lointain.

En éclairant l'appareil avec des lasers RVB, Hu et al. généré trois indépendants, images holographiques monochromatiques en champ lointain en niveaux de gris pour mélanger soigneusement les trois canaux et obtenir une image holographique en couleur. Ils ont conçu la métasurface pour former une projection à la longueur d'onde souhaitée et ont codé des informations holographiques sur des filtres de couleur spécialement agencés, y compris les informations de micro-impression couleur. La configuration expérimentale présentait plusieurs avantages et le dispositif pouvait être facilement fabriqué à l'aide de procédés courants de lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et d'évaporation des métaux.

Pendant le processus de conception et de fabrication des dispositifs 3-D, Hu et al. nanotrous diélectriques conçus sur des métasurfaces d'hologrammes. En modifiant la taille des nanotrous, les scientifiques ont obtenu différentes réponses de phase pour façonner le front d'onde souhaité pour l'hologramme. La mise à l'échelle de phase a simplement réduit l'efficacité de l'hologramme sans affecter ses informations. L'équipe de recherche a utilisé un matériau (poly) méthacrylate de méthyle (PMMA) d'une hauteur de 400 nm, bien que des structures et des matériaux plus élevés avec un indice de réfraction plus élevé puissent être appliqués pour obtenir une efficacité de diffraction plus élevée.

Pour la configuration de base du filtre de couleur, Hu et al. utilisé une structure de cavité de résonance argent (Ag)/hydrogène silséquioxane (HSQ)/Ag sur un substrat de quartz, où les couches d'argent agissaient comme des films semi-réfléchissants. L'équipe de recherche a calculé l'influence de l'épaisseur du film d'argent sur les longueurs d'onde RVB utilisées dans les expériences pour montrer une diaphonie supprimée en raison de l'augmentation de l'épaisseur du film d'argent, mais avec une efficacité de transmission réduite. Lorsque le film d'argent n'était que plus épais que 30 nm, la réduction de la diaphonie était négligeable. Hu et al. obtenu une image de microscopie électronique à balayage (MEB) en fausses couleurs du dispositif de métasurface intégré en 3D fabriqué pour vérifier sa structure. Ils ont comparé les spectres de transmission expérimentaux pour le canal RVB avec le calcul théorique pour montrer les résultats bien concordants.

Pour réaliser la double fonction de micro-impression et d'holographie, les scientifiques ont développé un algorithme de Gerchberg-Saxton (GS) modifié pour coder deux types d'informations indépendantes dans une micro-empreinte et un hologramme. L'équipe a fait correspondre chaque pixel de l'image couleur à la couleur la plus proche de la palette, pour former des composants multicolores. Ils ont sélectionné des filtres de couleur appropriés pour les canaux RVB avec une petite diaphonie entre eux pour finalement obtenir un R séparé, G et B, images holographiques en niveaux de gris. Ils ont ensuite fusionné les trois composants de distribution de phase pour former la phase finale de l'hologramme. Pour vérifier le concept, ils ont construit une métasurface intégrée en 3D avec une micro-impression couleur trichromatique d'une holographie d'homme qui court. Hu et al. a comparé la simulation et le résultat expérimental pour montrer que l'appareil a bien récupéré les informations d'image conçues. Le concept d'un hologramme multiplexé par micro-empreinte et longueur d'onde peut être utilisé pour le cryptage afin d'améliorer la sécurité de l'information. Les scientifiques peuvent utiliser différentes combinaisons de canaux laser pour créer une image en couleur en équilibrant les puissances d'entrée du RVB.

Basé sur la double fonction de la micro-impression et du méta-hologramme couleur, les scientifiques ont développé deux dispositifs de cryptage. Ils ont comparé les résultats simulés et expérimentaux des micro-empreintes trichromatiques du premier appareil, qui comprenait l'équation masse-énergie proposée par Albert Einstein. La micro-impression de 50 x 50 pixels comprenait les informations principales en rouge et l'arrière-plan en vert et bleu. L'équipe de recherche a ensuite projeté un méta-hologramme couleur conçu parallèlement à la micro-impression et capturé l'image de l'hologramme à l'aide d'un éclairage laser RVB. Pour l'image holographique, ils ont utilisé un portrait trichromatique d'Albert Einstein, qui combinait les images binaires RVB. De la même manière, Hu et al. développé une microimpression des équations de Maxwell et un portrait holographique de James Clerk Maxwell.

L'équipe de recherche a utilisé diverses cavités MDMFP avec diverses épaisseurs diélectriques dans le dispositif de métasurface intégré pour réaliser une micro-impression en couleur d'une image arbitraire. En outre, ils ont obtenu un hologramme en couleur en combinant les images monochromes en niveaux de gris des canaux RVB. Par exemple, quand ils ont ensuite codé la métasurface avec une image en couleur contenant des informations en niveaux de gris d'une "peinture chinoise d'un lotus, " ils ont pu démontrer l'holographie en couleur d'un lotus rose avec un noyau de fleur jaune, feuille vert foncé, eau sombre et libellule rouge. L'équipe a pu ajuster la puissance des trois lasers de l'expérience pour obtenir le résultat le plus proche de l'image d'origine. En raison de la faible diaphonie des différents canaux, les scientifiques ont pu récupérer la plupart des détails de la peinture en combinant les trois composants monochromes.

De cette façon, Yueqiang Hu et ses collègues ont proposé et démontré un concept de métasurface intégrée en 3D pour réaliser une holographie en couleur en empilant verticalement un microréseau à filtre couleur et une métasurface d'hologramme nanostructurée. Avant l'intégration, l'appareil présentait une double fonction de cryptage et de stockage. Les chercheurs ont obtenu des micro-impressions couleur miniaturisées sous un éclairage en lumière blanche et des hologrammes en couleur avec un éclairage laser RVB, avec une faible diaphonie et une efficacité élevée par rapport aux techniques existantes pour obtenir une holographie en couleur. Le travail fournit d'excellents exemples d'utilisation de métasurfaces dans des dispositifs optoélectroniques multifonctionnels sur puce pour miniaturiser des systèmes optiques.

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