标 题：基于电介质超表面的光场复振幅调控与全息显示研究

英文标题：Complex-amplitudemodulation of light field and holographic display based on dielectric metasurfaces

作 者：郭旭岳

指导教师：赵建林教授、李鹏副教授

培养院系：物理科学与技术学院

学 科：光学工程

读博寄语：非宁静无以致远

主要研究内容

近年来，随着激光技术应用的不断深入以及多种加工技术的进步革新，光学元件和系统得到了非常迅速的发展，光学系统的尺寸不断缩小，愈发集成化。传统的光学元件通常需要足够的空间用以沿着光的传播方向逐渐累积光程差，以此产生相位或偏振调制作用进而实现各种功能。因此，尽管传统光学元件可以简单有效地实现对入射光场的调制，但是往往需要多个光学元件的组合协同作用，导致体积往往较大，从而严重限制了光学系统的集成化发展。同时，传统光学元件往往会伴随多级衍射，这无疑也导致了光场调控效率低下、系统稳定性差等，在一定程度上限制了光场调控研究的进一步发展。在此背景之下，人们迫切地需要发展超轻超薄、易集成的光学元件。超表面（Metasurface）的出现，提供了一种新型的光场调控机制与方法，拓展了操纵光场分布的灵活性和自由度。

光学超表面特性

超表面是近些年来提出的一种新型人工结构材料，具备在亚波长尺度范围内调控光束的振幅、相位及偏振态的能力。2011年，哈佛大学Capasso教授等首次提出了超表面的概念，利用V型金属天线设计了相位梯度超表面，由此开启了利用超表面实现光场调控的新篇章。不同于传统的光学元件，超表面具有新颖的光场调控机理和灵活性，主要表现为以下三点：（1）超表面由微纳米尺寸的结构组成，这为器件的小型化、集成化提供了良好的途径；（2）这种结构对光波波前的调制作用在小于波长的距离内完成，相当于发生在界面处的相位突变，通过合理设计相位梯度，可以实现对光波波前的调制；（3）超表面不仅可以调控电场分量，也可实现对磁场分量的调控，选取合适的耦合模式可以实现对光波透射与反射的控制。

独特的调控机理和灵活的设计方式使得超表面具有非常丰富的光场调控自由度，表现出强大的调控能力。通过合理的设计，能够在亚波长尺度上实现对光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控，为现代光学元件与系统的小型化、集成化提供了全新的技术途径。经过十多年的研究与发展，超表面在多个领域都得到了广泛应用。在光场调控中可用于特殊光场的产生，如涡旋光束、矢量光束、拓扑光场等；利用超表面的尺寸优势，可以实现超小型的光学元件，如波片、超透镜以及回路器。此外，超表面的出现也为全息术的发展提供了新的途径，可用于实现全息显示、三维成像以及增强现实等。随着研究的不断深入，利用超表面进行光场单个参量的调控研究已经日臻成熟，此类超表面器件逐渐暴露出功能单一，应用受限等缺点。因此，实现光场多个参量的联合调控，制备高性能、功能多样化、应用范围广的器件，是超表面发展及实用化的必然趋势。

本研究针对光学超表面现存的光场调控自由度不足、应用功能单一等关键问题，基于电介质超表面探索了光场多参量解耦的新机制，提出了光场多自由度调控的新方案，进一步发展了用于全息显示与加密等的功能超表面器件。具体研究内容如下：

1.基于单层电介质超表面的光场多维度调控

基于电介质纳米结构的偏振相关调制机理，提出了一个完整的模型来描述单层电介质超表面的光场全空间参量调控机制。进一步在实验中采用常用的硅介质超表面，实现了从单一空间自由度的精确调制到多个参量的同时调控。同时，分析了该超表面器件在宽带响应和三维操纵中的的适用原则。研究结果为功能化超表面的灵活设计、应用扩展，以及利用复杂结构实现更丰富的光波操纵和应用，提供了基本模型与指导。

基于电介质超表面的光场偏振相关调控机理

2.基于随机傅里叶编码的可见光宽波段全息显示

在超表面全息显示中，设计原理与编码方法是影响最终成像效果的关键。然而传统的全息图编码方法均存在一定的弊端，如经典的GS算法收敛速度慢，当迭代次数不够充分时，重建图像具有局部失真的情况，不能充分的显示重建图像的真实性。为此，基于光栅衍射的相位光栅法和基于双相位低通滤波的棋盘法先后被提出，但依旧存在效率低和空间带宽损失的问题。针对上述问题，提出了一种基于随机傅里叶相位编码的全息超表面设计方法，实现了在可见光波段的高质量全息显示。相比于传统的编码方法，该方法利用二进制随机调制函数，将目标光场的频谱振幅编码到相位上，生成纯相位傅里叶变换全息图。进一步，通过分析图像质量评价指标，证明了该全息超表面在可见光波段的高质量显示性能。此外，该编码方法并不局限于对光场的振幅重建，相位信息也可以得到很好地恢复。

随机编码及宽波段全息显示

3.偏振可切换拓扑结构光场的多通道产生

拓扑结构光场是近年来引起研究者们广泛关注的一类特殊结构光场，其具有与相位奇异性相关的涡旋结和链，可以作为量子力学物质波的拓扑波导。构建光学结、链对开展拓扑量子场、拓扑流体动力场的光学模拟及关联运算等具有重要意义。拓扑结构的构建依赖于光场振幅与相位的精确再现，然而，光学结、链对调制的高斯光束大小较为敏感，传统的基于空间光调制器的全息法实现光场重建时，存在体积大、系统复杂度高以及无法多参量调控等缺点，严重制约了其在微纳光学和纳米光子集成等领域的进一步研究与应用。针对这些问题，提出了一种能够实现多通道产生具有超小尺寸拓扑结构光场的全息电介质超表面。利用设计的超表面，可以通过调控入射光的自旋态，在两个正交偏振通道中实现光学涡旋结（Trefoilknot）与链（Hopf link）的切换，其横向尺度仅为220μm，并且效率达到54.5%。进一步，分析并证明了该特殊光场在微纳尺度上拓扑演化的鲁棒性，有望应用于拓扑结构领域的光学信息处理。

多通道超表面及拓扑光场结构示意图

4.基于自旋解耦复振幅调控的光场多参量调控

实现光场多参量调控，制备多功能器件是目前超表面发展的趋势。将独立的振幅和相位信息编码到一组正交的偏振态上在偏振光学、信息编码、光数据存储和安全等方面具有广泛的应用前景。通过结合纳米结构的几何相位与传输相位调制，并利用四原子结构中各单元之间的偏振相关干涉作用，实现了正交圆偏振态上独立的振幅与相位联合且独立的调控。基于该原理，实验上实现了微纳尺度上完美矢量涡旋光束的产生，以及偏振可切换的三维全息显示场景。该方案丰富了超表面的光场调控维度，在矢量全息、偏振复用等方面有巨大的潜力。

四原子超表面结构示意图及相关实验结果

5.全偏振自由度调控的彩色全息显示与加密

超表面为调控光场提供了一个紧凑而强大的平台，在全息显示、光学存储与信息加密方面展现出巨大的应用前景。其中，扩展复用自由度是提高信息存储与信息处理能力的重要手段。为此，提出了一种可实现全偏振自由度调控彩色全息显示与加密的超表面器件。利用四原子宏像素几何相位超表面对左、右旋圆偏振分量进行复振幅调控以及k空间调制，可以将全彩色全息图复用至任意偏振通道中。同时，基于全偏振自由度调控，不仅可以先实现HSB三维色彩空间的真彩色全息显示，还可以用于全息三维成像以及信息加密场景。相关成果在三维显示、AR/VR、数据存储与加密等方面具有广泛的应用前景。

偏振编码的真彩色全息显示与加密

主要创新点

（1）提出了描述单层电介质超表面光场全空间参量调控的完整模型，揭示了其实现光场单一维度到多维调控的基本规律和特点。同时，基于相位调控与原理，提出了一种基于随机傅里叶相位编码的全息超表面设计方法。

（2）提出了一种基于自旋解耦相位调控的多通道产生拓扑结构光场的全息电介质超表面，分析证实了该特殊光场在微纳尺度上拓扑演化的鲁棒性；进一步通过引入四原子结构实现了自旋解耦复振幅调控，并基于此提出了一种光场振幅、相位、偏振态的完全解耦调控方案。

（3）提出了一种可实现全偏振自由度调控的彩色全息显示与加密光学超表面。利用宏像素几何相位超表面，实现了多波长光场振幅、相位、偏振态的完全解耦调控，成功将全彩色全息图复用至任意偏振通道中，并应用于全息三维显示以及信息加密场景。