新穎材料器件為全息顯示帶來的新機(jī)遇?

彭瑋婷劉娟1 李昕12 薛高磊韓劍13 胡濱王涌天1

1)(北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京市混合現(xiàn)實(shí)與新型顯示工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

2)(南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,新加坡 639798)

3)(北京控制與電子技術(shù)研究所,信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)

1 引 言

1.1 全息顯示

視覺是人類獲取外界信息的首要來源,為了獲得更多、更豐富的視覺信息,研究者們?cè)陲@示領(lǐng)域投入了大量的精力,使得顯示技術(shù)成為光學(xué)領(lǐng)域中最重要的研究方向之一,也使得顯示產(chǎn)業(yè)成為信息領(lǐng)域重要的支柱型產(chǎn)業(yè).隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展,人們對(duì)信息顯示的要求日益提升,具有多維度的三維顯示技術(shù)因其能夠構(gòu)建真實(shí)或者虛擬的三維場(chǎng)景使人身臨其境,并能廣泛應(yīng)用于科研教育、衛(wèi)生醫(yī)療、文化娛樂、工業(yè)設(shè)計(jì)、國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域,成為目前的研究熱點(diǎn).另一方面,近年來近眼顯示系統(tǒng)(near-eye display,NED)作為一種頭戴式顯示(head-mounted display,HMD)系統(tǒng)[1,2],因其能夠?qū)⑻摂M場(chǎng)景信息與實(shí)際場(chǎng)景相互融合實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality)顯示成像而受到了越來越多的關(guān)注與研究.但是目前普遍的商用化顯示系統(tǒng)無法滿足人們所需的重量輕、體積小、功能強(qiáng)等使用要求,同時(shí)現(xiàn)有商品化的三維顯示方案僅能滿足人眼觀察三維場(chǎng)景時(shí)所需的部分生理和心理深度暗示,其中某些暗示之間的矛盾導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間觀看時(shí)引起視疲勞現(xiàn)象[3].

全息技術(shù)是基于光波波前記錄與再現(xiàn)的技術(shù),這種技術(shù)能夠有效重建出目標(biāo)光波的場(chǎng)分布而實(shí)現(xiàn)圖像深度信息的重建,在原理上具有其他顯示技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì).全息投影顯示利用可刷新的光電器件作為顯示調(diào)制器件,能夠有效提高系統(tǒng)的光能利用率;全息三維顯示通過重建目標(biāo)場(chǎng)景圖像的物光波信息,從原理上避免了人眼觀察時(shí)產(chǎn)生深度暗示矛盾,被認(rèn)為是終極的三維顯示方案;另一方面,利用全息原理可以設(shè)計(jì)加工出各種輕型化和小型化的高性能光學(xué)元件,如全息光學(xué)元件,這些光學(xué)元件還具有透射率高、加工成本低、受使用環(huán)境影響小等特點(diǎn).由于這些優(yōu)勢(shì),全息顯示技術(shù)被認(rèn)為是最具潛力的一種顯示技術(shù).

全息光電元器件[4?13]包括實(shí)現(xiàn)成像作用的全息元件以及實(shí)現(xiàn)任意波前調(diào)控的空間光調(diào)制器(spatial light modulator,SLM)等.現(xiàn)有的全息顯示器件依然存在著諸多問題,制約了全息顯示系統(tǒng)的性能,使其尚無法滿足實(shí)際需求.一方面,全息顯示質(zhì)量受到可刷新調(diào)制器件的時(shí)間-空間(時(shí)空)帶寬積的限制.空間光調(diào)制器能通過光寫入(尋址)或電寫入(尋址)[14]方式對(duì)調(diào)制器像素單元加載數(shù)據(jù)而形成二維光學(xué)信息分布,通過對(duì)目標(biāo)波前的干涉記錄與衍射重建實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波的調(diào)控從而用于全息成像.傳統(tǒng)空間光調(diào)制器像素單元尺寸相對(duì)于光波長(zhǎng)大很多,現(xiàn)有的空間光調(diào)制器最小像素尺寸約為3.74μm,因而視場(chǎng)角相對(duì)較小,導(dǎo)致對(duì)顯示物體大小及分辨率產(chǎn)生一定的限制.同時(shí),空間光調(diào)制器寫入系統(tǒng)的性能[15]影響圖像刷新速率,目前最大刷新速率為60 Hz,從而對(duì)動(dòng)態(tài)全息顯示的發(fā)展帶來影響.另一方面,現(xiàn)有全息顯示器件限制了顯示圖像質(zhì)量.作為一種色散器件,全息光學(xué)元件在全息波導(dǎo)顯示系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致耦合輸入光波產(chǎn)生嚴(yán)重的色散現(xiàn)象,因而在實(shí)現(xiàn)彩色顯示進(jìn)行多波長(zhǎng)配色的研究過程中,針對(duì)全敏材料的透光率不足有了多種改進(jìn)方案[13?16],但在效率、消色差效果等問題上依然難以滿足要求.此外,作為成像器件的空間光調(diào)制器各像素之間存在不可調(diào)制區(qū)域,其形成的“死區(qū)”會(huì)造成固定的背景噪聲[17].對(duì)于可調(diào)制因素來說,盡管不同類型的空間光調(diào)制器具有不同的調(diào)控曲線(operating curves)[18],但它們均無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)、獨(dú)立、精確地調(diào)控入射光波的振幅與相位,從而在一定程度上限制了真三維全息顯示.

新穎材料包含超穎材料(metamaterial)、超構(gòu)表面(metasurface)、二維材料(2D material)等新材料,它們的組成單元——超構(gòu)原子(meta-atoms)是具有亞波長(zhǎng)尺寸的像素單元,其單元尺度相近于光波長(zhǎng),甚至可達(dá)到小于200 nm的長(zhǎng)度.相比于傳統(tǒng)空間光調(diào)制器最小3.74μm的像素單元尺度,在其可加載信息密度、成像視場(chǎng)角等方面,都有著極大的改善,利用這個(gè)特性,可將新穎材料運(yùn)用于全息顯示中,能夠獲得更大的視場(chǎng)角和更高分辨率的再現(xiàn)像,提高顯示的空間帶寬積,從而提升全息顯示圖像的質(zhì)量.同時(shí),通過對(duì)超構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)及空間位置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波振幅和相位信息的調(diào)控,從而在很大程度上增加了全息顯示的可調(diào)控性.基于新穎材料在全息顯示中的優(yōu)良特性,研究人員提出了各種基于新穎材料的波前調(diào)制器件,例如利用等離子金屬光柵構(gòu)建彩色全息顯示器件[19].自此,以超穎材料、超構(gòu)表面、二維材料等新材料為基礎(chǔ)研制的新型全息顯示器件,因其新穎的特性為全息顯示帶來了新的機(jī)遇與發(fā)展方向.

1.2 新穎材料與器件

超構(gòu)表面是一種新穎的人工材料[20?22],由特殊設(shè)計(jì)、加工而得到的特征尺寸接近或小于波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng)超構(gòu)原子[23]構(gòu)成,可根據(jù)附加在超構(gòu)原子上的特異電磁特性對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的操作.要實(shí)現(xiàn)這種操作,需通過對(duì)超構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)參數(shù),包括超構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)、空間位置關(guān)系等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)器件介電常數(shù)與電導(dǎo)率參數(shù)的控制,進(jìn)而形成針對(duì)特定波長(zhǎng)或者特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)電磁波諧振響應(yīng)強(qiáng)度與相位延遲的操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波的振幅調(diào)控和相位調(diào)控.2011年,哈佛大學(xué)Capasso等[24]通過這種相位延遲的調(diào)控方式,獲得了對(duì)入射光波波前的調(diào)制作用而實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的方向偏折,如圖1所示.此后,超構(gòu)原子的這一調(diào)控特性被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)多種具有特殊功能的光學(xué)元器件[25?29].

除了結(jié)構(gòu)參數(shù)外,超構(gòu)原子本身的材料同樣影響其對(duì)電磁響應(yīng)的程度.金屬材料是最早用作構(gòu)建超穎材料和超構(gòu)表面材料,但受限于金屬的損耗特性,這類超構(gòu)原子轉(zhuǎn)換效率較低.而通過改變金屬超構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)、入射光方向[30],或改變超構(gòu)原子的材質(zhì),選用電介質(zhì)材料構(gòu)建超構(gòu)原子等[31?34],能實(shí)現(xiàn)對(duì)其轉(zhuǎn)換效率的提升.而相比于金屬材料,電介質(zhì)材料本身的電磁響應(yīng)相對(duì)較弱,基于此原理的電介質(zhì)材料超構(gòu)原子利用重疊的電共振與磁共振模式能實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)量級(jí)超構(gòu)原子調(diào)制單元,但部分電介質(zhì)材料超構(gòu)原子,例如基于波導(dǎo)傳輸模式的電介質(zhì)材料超構(gòu)原子往往具有較大的厚度,需要波長(zhǎng)量級(jí)的厚度,因此在加工方面有一定的限制.

圖1 新穎材料實(shí)現(xiàn)波前調(diào)制基本原理圖 (a)相位延遲原理;(b)新穎材料波前調(diào)制原理示意圖[24]Fig.1.Schematics used to realize the wavefront control by the metamaterial:(a)Schematics of the phase delay;(b)schematics of the wavefront control[24].

圖2 新穎材料的幾個(gè)應(yīng)用 (a)渦旋光束[24];(b)1/4波片的超穎表面[41];(c)“隱身斗篷”[44]Fig.2.Some popular applications of metamaterial:(a)An optical vortex created by the metasurface[24];(b)metasurface of quarter-wave plate[41];(c)an ultrathin meta surface of invisibility skin cloak for visible light[44].

超穎材料往往具有多層結(jié)構(gòu),形成三維單元分布[20,21],通過對(duì)超構(gòu)原子的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),使其同時(shí)具有負(fù)磁導(dǎo)率以及負(fù)介電常數(shù),能構(gòu)建出負(fù)折射率超穎材料[20].這樣的超穎材料被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)光學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的特異功能[23?29].同時(shí)超構(gòu)表面由單層超構(gòu)原子構(gòu)成,加工更簡(jiǎn)便,設(shè)計(jì)更靈活,具有對(duì)光波特異調(diào)制的性質(zhì),被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)異常光的調(diào)控中,例如能產(chǎn)生各種不同的渦旋光束與矢量光束(圖2(a))[35?38]、應(yīng)用于各種光子自旋現(xiàn)象[39,40]、實(shí)現(xiàn)各種不同的偏振轉(zhuǎn)換器件(圖2(b))[41,42]、形成光鑷以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小顆?；蚣?xì)胞的操控[43]、構(gòu)建超薄的“隱身斗篷”(圖2(c))[44]、實(shí)現(xiàn)不同的邏輯運(yùn)算[45]等.同時(shí),在非線性條件下,超構(gòu)表面也有著不同的電磁響應(yīng)特性[46,47].

其他新穎材料也因其優(yōu)異的電磁響應(yīng)受到研究者的廣泛關(guān)注.如二維材料作為新穎材料的一類,其厚度僅為納米量級(jí),在物理特性上呈現(xiàn)出普通三維材料所不具備的性質(zhì)[48,49].石墨烯是目前最受關(guān)注的二維材料之一,它是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的一種新型碳質(zhì)材料,保持了近乎完美的機(jī)體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)性質(zhì),蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象[50].石墨烯氧化物也是一種性能優(yōu)異的新型碳材料,其具有較高的表面積和豐富的表面官能團(tuán),容易在水溶液中分散,形成單個(gè)小片段,而氧化石墨烯復(fù)合材料更是具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.利用氧化石墨烯復(fù)合材料構(gòu)建的光學(xué)器件,能夠在實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)控特性的同時(shí)保證器件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),這是傳統(tǒng)的全息顯示器件無法實(shí)現(xiàn)的[51].此外,處于研究前沿的拓?fù)浣^緣體材料也被應(yīng)用于新穎器件的研制中[52].拓?fù)浣^緣體是一種不同于金屬和絕緣體的全新物態(tài)[53],其最直觀的性質(zhì)就是材料內(nèi)部為絕緣體,而表面卻能表現(xiàn)出“金屬”的特性.這種內(nèi)部與表面的性質(zhì)差異使其能夠有效地控制電磁場(chǎng)沿各個(gè)方向的傳播,從而實(shí)現(xiàn)特異電磁調(diào)控.同樣,利用拓?fù)浣^緣體的電磁特性,能夠制造出包括光隔離器在內(nèi)的多種光學(xué)器件[54].

由此可見,新穎材料通過對(duì)納米尺度像素單元結(jié)構(gòu)及材料的設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波波前的良好控制.而全息重建作為超構(gòu)表面中一個(gè)重要的應(yīng)用方向[55?57],能夠利用對(duì)超穎材料、超構(gòu)表面、二維材料等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和構(gòu)建,獲得具有良好光波調(diào)控性能的全息元器件,從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)全息光學(xué)元器件無法實(shí)現(xiàn)的功能與特性,為全息顯示帶來新機(jī)遇和發(fā)展方向.

2 新穎材料全息顯示

2.1 新穎材料全息元件

全息光學(xué)元件是利用全息的方法記錄加工得到的具有一定光學(xué)功能的元件.其相比于傳統(tǒng)的折反射型的光學(xué)元件而言具有超薄的特性,能夠有效地減少系統(tǒng)體積.然而如前文所述,全息顯示中應(yīng)用的全息光學(xué)元件具有諸多問題,因此需要設(shè)計(jì)、研制新型的全息元件以提升全息顯示系統(tǒng)的性能指標(biāo).利用新穎材料設(shè)計(jì)研制的全息元件,能夠替代傳統(tǒng)全息光學(xué)元件,在保留其超薄特性的前提下,實(shí)現(xiàn)高效率、無色散等目標(biāo).新穎材料全息元件是通過超構(gòu)原子在器件表面形成特定的相位延遲分布以實(shí)現(xiàn)不同的功能[24,58,59].例如,當(dāng)運(yùn)用超構(gòu)原子在器件表面附加梯度相位時(shí),能夠使入射光線發(fā)生偏折[24,59],從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光線方向的控制.這種元件與全息光柵的功能相一致,但與傳統(tǒng)體全息光柵器件不同的是,這種超薄新穎材料器件并不具有體積效應(yīng),從而減小了布拉格效應(yīng)對(duì)顯示性能的影響與制約.類似地,通過設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的器件相位分布,新穎材料全息元器件還能夠?qū)崿F(xiàn)超薄光學(xué)透鏡[60]等功能.

圖3 (a)新穎材料復(fù)振幅調(diào)制理想模擬全息像;(b),(c)不同調(diào)制階梯模擬像;(d)實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)像[55]Fig.3.(a)The simulated holographic images created by an ideal metasurface hologram with smooth phase and amplitude modulations;(b),(c)the simulated holographic images created by a metasurface hologram with different level phase and amplitude modulation;(d)holographic images obtained experimentally from the fabricated samples[55].

對(duì)于全息顯示而言,利用新穎材料的線性光學(xué)響應(yīng)及電磁響應(yīng)特性,通過對(duì)光波的振幅、相位等信息進(jìn)行調(diào)制,能夠有效地實(shí)現(xiàn)全息顯示.當(dāng)超構(gòu)原子間的電磁耦合較弱時(shí),超構(gòu)原子幾何旋轉(zhuǎn)角度與圓偏振的正交偏振態(tài)出射光波的相位延遲成正相關(guān),可以通過控制超構(gòu)原子的空間旋轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)全息圖信息的加載.針對(duì)超構(gòu)原子結(jié)構(gòu)及空間位置進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠獲得對(duì)入射光相位調(diào)制的結(jié)果,根據(jù)調(diào)制結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),便能實(shí)現(xiàn)振幅型、相位型以及復(fù)振幅型全息顯示.如圖3所示,運(yùn)用超穎材料對(duì)全息圖振幅及相位信息進(jìn)行同時(shí)編碼而實(shí)現(xiàn)的復(fù)振幅調(diào)制功能是傳統(tǒng)器件無法實(shí)現(xiàn)的[55,61,62],其有效地提高了顯示信息密度,也在一定程度上提高了三維全息顯示的真實(shí)性.此外,超構(gòu)原子的特異結(jié)構(gòu)使其具有各向異性[63,64]或各向同性[65,66]的電磁響應(yīng),其中具有各向異性超構(gòu)原子的超構(gòu)表面與超穎材料能夠?qū)蓚€(gè)正交偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)不同的電磁響應(yīng).因此在這兩個(gè)響應(yīng)中加載不同的全息圖信息,如圖4(a)所示,即可運(yùn)用單一顯示器件呈現(xiàn)不同的顯示結(jié)果[67?73].無論是正交線偏振光[68?70]、圓偏振光[71?73]還是任意正交的完全偏振態(tài)[74],均可以通過對(duì)超構(gòu)原子的特異結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這一功能.

由于光波亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)尺度存在加工難度問題,為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低加工難度,提高波前調(diào)控準(zhǔn)確度、提升全息圖的顯示質(zhì)量,通常選擇簡(jiǎn)單的幾何形狀超構(gòu)原子應(yīng)用于全息顯示,同時(shí)對(duì)全息信息進(jìn)行階梯量化處理[56].特別是利用全息的迂回編碼技術(shù),可以通過控制超構(gòu)原子的位置等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)全息圖的加載以及目標(biāo)圖像的重建[75].值得注意的是,超構(gòu)原子尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)使得記錄倏逝波成分信息成為可能,因此改變?cè)佻F(xiàn)光入射角度時(shí)即可以實(shí)現(xiàn)重建更多的圖像信息[76],這是基于傳統(tǒng)全息顯示器件無法實(shí)現(xiàn)的,也為大容量新穎全息顯示帶來可能.

相比于傳統(tǒng)全息影像重建,新穎材料全息顯示具有自由度高、編碼信息靈活等優(yōu)勢(shì),且新穎材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使得再現(xiàn)光波無法分辨其中的細(xì)節(jié)信息,從而避免了空間光調(diào)制器“死區(qū)”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的背景噪聲,也在增大信息容量的情況下獲得更大的視場(chǎng)角,有助于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量全息顯示.

2.2 非線性新穎材料全息顯示

非線性超穎材料與非線性超構(gòu)表面同樣具有特異的波前調(diào)制特性,而利用這種非線性效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全息圖像的多圖重建.超構(gòu)原子的非線性特異電磁特性同樣能引入特定的相位延遲,與線性響應(yīng)不同的是,超構(gòu)原子的非線性效應(yīng)能夠在兩個(gè)正交偏振態(tài)的高次諧波中引入不同的相位延遲.根據(jù)這一特性,能夠?qū)崿F(xiàn)如圖4(b)所示的線性通道和兩個(gè)非線性通道中顯示重建出不同的全息圖像[77,78].此外,利用多層的非線性超穎材料也能夠進(jìn)一步提高全息信息的寫入密度,在不同的偏振態(tài)方向顯示不同的圖像[79].相比于利用傳統(tǒng)顯示器件的全息顯示而言,通過這些復(fù)用方式,非線性新穎超穎材料和非線性新穎超構(gòu)表面全息顯示的信息密度有顯著的提升.但受限于非線性變換能量的衰減,非線性調(diào)控目前仍然存在效率不夠高的問題.

圖4 (a)利用新穎材料線性特性實(shí)現(xiàn)不同線偏振光入射實(shí)現(xiàn)不同全息顯示[69];(b)利用新穎材料非線性特性實(shí)現(xiàn)線性通道和兩個(gè)非線性通道中顯示重建出不同的全息圖像[77]Fig.4.(a)Results of different holographic display obtained using linearity of the metamaterial[69];(b)results of different holographic display obtained using nonlinearity of the metamaterial[77].

2.3 彩色全息顯示

與傳統(tǒng)顯示器件相同,新穎材料器件也是色散器件,能夠?qū)Σ煌肷涔猱a(chǎn)生不同的電磁響應(yīng).借鑒于傳統(tǒng)顯示器件實(shí)現(xiàn)二維、三維彩色顯示的技術(shù),利用新穎材料全息顯示器件的各種調(diào)控方式,如圖5所示,同樣也可以實(shí)現(xiàn)彩色圖像的重建.利用彩色顯示中的像素分離法,可使新穎材料全息顯示器件上不同像素單元控制不同波長(zhǎng)(顏色)入射光,合并實(shí)現(xiàn)一個(gè)彩色的全息像素,從而實(shí)現(xiàn)彩色圖像的重建[80,81].但由于一個(gè)彩色像素中包含多個(gè)子波前控制單元,因此無法保證彩色像素依然遠(yuǎn)小于波長(zhǎng).而運(yùn)用新穎材料全息顯示器件的各向異性調(diào)控特性,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)控單元參數(shù)獲得在兩個(gè)正交偏振方向上對(duì)不同波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的響應(yīng),即可以實(shí)現(xiàn)雙色全息圖像顯示[67,68].此外,通過運(yùn)用全息顯示中復(fù)合彩色全息編碼方法,能實(shí)現(xiàn)將紅綠藍(lán)三色通道的全息圖信息編碼到同一幅全息圖上.因而,通過將編碼信息映射到新穎材料全息器件上,即能夠在成像區(qū)域顯示彩色圖像[82],并可以通過多色通道疊加[82,83]實(shí)現(xiàn)彩色全息圖的合成.

圖5 不同方法獲得新穎材料彩色全息圖 (a),(b)像素分離法[80,81];(c)偏振控制法[67];(d)復(fù)合彩色全息編碼方法[82]Fig.5.The different ways to get the full-color metamaterial hologram:(a),(b)Pixel separation[80,81];(c)polarization control[67];(d)wavelength-multiplexed holographic coding method[82].

2.4 高效率全息顯示

目前,衍射效率低是限制超穎材料、超構(gòu)表面和二維材料在波前調(diào)制應(yīng)用中的主要問題.由于透射式金屬超構(gòu)原子本身?yè)p耗特性的限制,轉(zhuǎn)換效率通常較低,為了提高調(diào)控效率,研究者對(duì)超構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等方向進(jìn)行改進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)高效率全息顯示.利用圖6(a)中的金屬-介質(zhì)-金屬的反射式結(jié)構(gòu),能通過構(gòu)建金屬微納天線與金屬反射層法布里-珀羅諧振腔以增加出射光強(qiáng)度,從而將全息圖的衍射效率提高到80%[30].

圖6 (a)金屬反射式結(jié)構(gòu)高效率全息顯示[30];(b)電介質(zhì)材料高效率全息顯示[84]Fig.6.(a)High efficiency metallic re fl ective nano-structure hologram[30];(b)high efficiency dielectric metasurface hologram[84].

此外,運(yùn)用電介質(zhì)材料超構(gòu)原子也能構(gòu)建高衍射效率全息圖.采用圖6(b)所示的非晶硅納米方柱陣列構(gòu)建超穎表面全息圖,可獲得75%—93%的衍射效率[84],運(yùn)用多晶硅納米圓柱片設(shè)計(jì)的灰階全息圖能達(dá)到超過90%的衍射效率[34].同樣,運(yùn)用TiO2材料納米單元對(duì)全息圖信息進(jìn)行編碼,能將衍射效率提升到78%—82%甚至更高[32],并可實(shí)現(xiàn)可見光波段全息顯示.

2.5 動(dòng)態(tài)全息顯示

盡管新穎材料具有優(yōu)異的電磁調(diào)控特性,但受到加工能力的限制,主要的研究工作都在靜態(tài)顯示中展開.隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,研究者們也開始將目光放到動(dòng)態(tài)新穎全息顯示器件的研制上[85],為新穎材料器件突破時(shí)間帶寬積限制提供了方向.超構(gòu)原子的電磁響應(yīng)特性往往受到外界的影響,特別是金屬材料的超構(gòu)原子在外加電場(chǎng)的情況下即可實(shí)現(xiàn)調(diào)控性能的調(diào)諧[86].運(yùn)用附著石墨烯等二維導(dǎo)電材料也同樣能通過控制超構(gòu)原子周圍的外界電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)改變超構(gòu)原子的電磁特性[87,88],也可通過構(gòu)建石墨烯-硅混合二極管控制入射波的通斷[89].此外,通過分析基底特性對(duì)超構(gòu)原子電磁調(diào)控特性的影響,利用輔助電磁場(chǎng)也可以實(shí)現(xiàn)改變超構(gòu)表面全息顯示器件加載的信息[90].這些方法主要利用整體調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)器件調(diào)制特性的改變,因而較難實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)超構(gòu)原子精確而獨(dú)立的調(diào)控.通過運(yùn)用動(dòng)態(tài)超構(gòu)原子構(gòu)建的動(dòng)態(tài)波前調(diào)控器件[91]及其相類似的通過微機(jī)電系統(tǒng)對(duì)超構(gòu)原子的諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制[92,93],利用微流系統(tǒng)控制液態(tài)金屬-空氣結(jié)構(gòu)超構(gòu)原子的開口環(huán)諧振腔參數(shù)[94],以及運(yùn)用電路控制二極管超構(gòu)原子加載不同全息圖信息[95]等方法,都能有效地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控信息的加載,也能運(yùn)用在實(shí)現(xiàn)單像素信息的刷寫中.然而受到技術(shù)的限制,目前這類器件僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)微波、太赫茲等長(zhǎng)波長(zhǎng)電磁波的調(diào)控.

圖7 多種動(dòng)態(tài)新穎材料全息元件 (a)外界電場(chǎng)控制附著石墨烯超構(gòu)原子改變超構(gòu)原子的電磁特性[87];(b)輔助電磁場(chǎng)控制基底特性改變加載信息[90];(c)動(dòng)態(tài)超構(gòu)原子構(gòu)建的動(dòng)態(tài)波前調(diào)控器件[91];(d)微機(jī)電系統(tǒng)控制超構(gòu)原子的諧振結(jié)構(gòu)[93];(e)微流系統(tǒng)控制液態(tài)金屬-空氣結(jié)構(gòu)超構(gòu)原子[94]Fig.7.A variety of dynamically recon fi gurable metamaterial holographic elements:(a)The external electric fi eld controls the electromagnetic properties of optical antennas on graphene[87];(b)tunable wave plate based on active plasmonic metasurfaces[90];(c)dynamic wavefront regulatory devices working by the recon fi gurable metamaterials[91];(d)tunable multiband terahertz metamaterials using a recon fi gurable electric split-ring resonator array[93];(e)tunable metamaterial with split ring in the array altered by changing the metal fi lling fraction[94].

2.6 新材料全息顯示元件

在運(yùn)用其他新穎材料方面,最近的研究利用氧化石墨烯材料與拓?fù)浣^緣體材料實(shí)現(xiàn)了全息圖像的重建.基于氧化石墨烯材料的全息圖(圖8(a))是利用甩膜的方法在玻璃襯底上制備一層氧化石墨烯薄膜,然后利用并行多焦點(diǎn)陣列飛秒激光直寫系統(tǒng)在制備的氧化石墨烯薄膜上進(jìn)行全息圖加工.在此過程中,超小聚焦的飛秒激光光束會(huì)將氧化石墨烯還原以使折射率發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)全息信息加載.通過這種方式再現(xiàn)的全息三維圖像的視場(chǎng)角能夠達(dá)到52°[51].

圖8 (a)利用氧化石墨烯材料實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角彩色三維全息顯示[51];(b)利用拓?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)全息三維顯示[52]Fig.8.(a)rGO holograms for 3D images with wide viewing angles and color images[51];(b)hologram for 3D images based on a topological insulator material[52].

此外,利用拓?fù)浣^緣體內(nèi)部與表面折射率不同的特性,也能實(shí)現(xiàn)表面電磁場(chǎng)分布的控制作用,從而實(shí)現(xiàn)如圖8(b)所示的全息顯示信息的表達(dá).全息圖制作過程中利用了原子層沉積的方法制備Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜,后通過多焦點(diǎn)陣列激光直寫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全息圖刻寫,最后運(yùn)用紅綠藍(lán)三色參考光分別成功再現(xiàn)全息圖像[52].復(fù)振幅全息顯示等傳統(tǒng)器件無法完成的任務(wù).目前新穎材料器件依舊存在一定問題,例如設(shè)計(jì)、加工較為復(fù)雜,部分元器件效率較低,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示難度大等.但是,可以預(yù)見的是,隨著加工技術(shù)的不斷提升,新穎材料全息顯示元器件將得到進(jìn)一步完善,推動(dòng)全息顯示的發(fā)展,從而使全息顯示早日得到廣泛的應(yīng)用.

3 結(jié) 論

隨著全息顯示技術(shù)的發(fā)展與更迭,以超穎材料、超構(gòu)表面和二維材料為代表的新穎結(jié)構(gòu)材料為全息顯示帶來了新的發(fā)展機(jī)遇.新穎材料全息元件與顯示器件的納米調(diào)制單元以及其構(gòu)成的超薄結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)器件對(duì)全息顯示性能的制約.新穎材料全息元件在實(shí)現(xiàn)特殊光學(xué)元件的偏折、會(huì)聚和發(fā)散等功能時(shí)能夠在具有超薄厚度的同時(shí)消除色差、擴(kuò)大視場(chǎng)角,而將新穎材料器件應(yīng)用于全息顯示中,能夠有效地避免傳統(tǒng)顯示器件像素結(jié)構(gòu)對(duì)成像質(zhì)量的影響,擴(kuò)大傳統(tǒng)全息顯示空間光調(diào)制器件的空間帶寬積限制,還能夠?qū)崿F(xiàn)諸如高顯示密度、

[1]Cakmakci O,Rolland J 2006J.Disp.Technol.2 199

[2]Li H,Zhang X,Shi G,Qu H,Wu Y,Zhang J 2013Opt.Eng.52 110901

[3]Iizuka K 2006Opt.Photon.News7 42

[4]Ma X,Liu J,Zhang Z,Li X,Jia J,Hu B,Wang Y 2015Chin.Opt.Lett.13 010901

[5]Haln J,Kim H,Lim Y,Park G,Lee B 2008Opt.Express16 12372

[6]Yara? F,Kang H,Onural L 2011Opt.Express19 9147

[7]Liu Y,Pang X,Jiang S,Dong J 2013Opt.Express21 12068

[8]Han J,Liu J,Yao X,Wang Y 2015Opt.Express23 3534

[9]Mukawa H,Akutsu K,Matsumura I,Nakano S,Yoshida T,Kuwahara M,Aiki K,Ogawa M 2008SID Symposium Digest of Technical Papers39 89

[10]Zeng C,Gao H Y,Liu J C,Yu Y J,Yao Q X,Liu P,Zheng H D,Zeng Z X 2015Acta Phys.Sin.64 124215(in Chinese)[曾超,高洪躍,劉吉成,于瀛潔,姚秋香,劉攀,鄭華東,曾震湘2015物理學(xué)報(bào)64 124215]

[11]Xia J,Chang C L,Lei W 2015Acta Phys.Sin.64 124213(in Chinese)[夏軍,常琛亮,雷威 2015物理學(xué)報(bào)64 124213]

[12]Brown R,Stahl K,Wood R 2014US Patent8 903 207

[13]Shi R,Liu J,Zhao H,Wu Z,Lu Y,Chen Y,Xie J,Wang Y 2012Appl.Opt.51 4703

[14]Goodman J 2005Introduction to Fourier Optics(Greenwood Village:Roberts&Company Publishers)p184

[15]Zhang N,Liu J,Han J,Li X,Yang F,Wang X,Hu B,Wang Y 2015Appl.Opt.54 3645

[16]Li X,Chen C,Gao H,He Z,Xiong Y,Li H,Hu W,Ye Z,He G,Lu J,Su Y 2014J.Disp.Technol.10 438

[17]Zhang H,Xie J,Wang Y 2009Appl.Opt.48 5834

[18]de La Tocnaye J L D B,Dupont L 1997Appl.Opt.36 1730

[19]Ozaki M,Kato J,Kawata S 2011Science332 218

[20]Smith D R,Padilla W J,Vier D C,Nemat-Nasser S C,Schultz S 2000Phys.Rev.Lett.84 4184

[21]Meinzer N,Barnes W L,Hooper I R 2014Nat.Photon.8 889

[22]Yu N,Capasso F 2014Nat.Mater.13 139

[23]Soukoulis C M,Wegener M 2011Nat.Photon.5 523

[24]Yu N,Genevet P,Kats M A,Aieta F,Tetienne J P,Capasso F,Gaburro Z 2011Science334 333

[25]Shelby R A,Smith D R,Schultz S 2001Science292 77

[26]Ergin T,Stenger N,Brenner P,Pendry J B,Wegener M 2010Science328 337

[27]Lai Y,Ng J,Chen H,Han D,Xiao J,Zhang Z,Chan C 2009Phys.Rev.Lett.102 253902

[28]Gao W,Lawrence M,Yang B,Fang F,Béri B,Li J,Zhang S 2015Phys.Rev.Lett.114 037402

[29]Gansel J K,Thiel M,Rill M S,Decker M,Bade K,Sail V,Freymann G V,Linden S,Wegener M 2009Science325 1513

[30]Zheng G,Mühlenbernd H,Kenney M,Li G,Zentgraf T,Zhang S 2015Nat.Nanotechnol.10 308

[31]Arbabi A,Horie Y,Bagheri M,Faraon A 2015Nat.Nanotechnol.10 937

[32]Devlin R,Khorasaninejad M,Chen W,Oh J,Capasso F 2016Proc.Natl.Acad.Sci.USA113 10473

[33]Shalaev M,Sun J,Tsukernik A,Pandey A,Nikolskiy K,Litchinitser N M 2015Nano Lett.15 6261

[34]Wang L,Kruk S,Tang H,Li T,Kravchenko I,Neshev D N,Kivshar Y S 2016Optica3 1504

[35]Pu M,Li X,Ma X,Wang Y,Zhao Z,Wang C,Hu C,Gao P,Huang C,Ren H,Li X,Qin F,Yang J,Gu M,Hong M,Luo X 2015Sci.Adv.1 e1500396

[36]Zeng J,Li L,Yang X,Gao J 2016Nano Lett.16 3101

[37]Chen H,Ling X H,He W G,Li Q G,Yi X N 2017Acta Phys.Sin.66 044203(in Chinese)[陳歡,凌曉輝,何武光,李錢光,易煦農(nóng)2017物理學(xué)報(bào)66 044203]

[38]Yi X N,Li Y,Liu Y C,Ling X H,Zhang Z Y,Luo H L 2014Acta Phys.Sin.63 094203(in Chinese)[易煦農(nóng),李瑛,劉亞超,凌曉輝,張志友,羅海陸 2014物理學(xué)報(bào) 63 094203]

[39]Yin X,Ye Z,Rho J,Wang Y,Zhang X 2013Science339 1405

[40]Zhang H,Kang M,Zhang X,Guo W,Lü C,Li Y,Zhang W,Han J 2017Adv.Mater.29 1604252

[41]Chen W,Tymchenko M,Gopalan P,Ye X,Wu Y,Zheng M,Murray C B,Alu A,Kagan C R 2015Nano Lett.15 5254

[42]Wang D,Zhang L,Gu Y,Mehmood M Q,Gong Y,Srivastava A,Jian L,Venkatesan T,Qiu C,Hong M 2015Sci.Rep.5 15020

[43]Pfeiffer C,Grbic A 2015Phys.Rev.B91 115408

[44]Ni X,Wong Z,Mrejen M,Wang Y,Zhang X 2015Science349 1310

[45]Papaioannou M,Plum E,Valente J,Rogers E,Zheludev N 2016Light Sci.Appl.5 e16070

[46]Chen S,Zeuner F,Weismann M,Reineke B,Li G,Valev V,Cheah K,Panoiu N,Zentgraf T,Zhang S 2016Adv.Mater.28 2992

[47]Li G,Chen S,Pholchai N,Reineke B,Wong P,Pun E,Cheah K,Zentgraf T,Zhang S 2015Nat.Mater.14 607

[48]Bhimanapati G,Lin Z,Meunier V,Jung Y,Cha J,Das S,Xiao D,Son Y,Strano M S,Cooper V,Liang L,Louie S,Ringe E,Zhou W,Kim S,Naik R,Sumpter B,Terrones H,Xia F,Wang Y,Zhu J,Akinwande D,Alem N,Schuller J,Schaak R,Terrones M,Robinson J 2015ACS Nano9 11509

[49]Butler S,Hoolen S,Cao L,Cui Y,Gupta J,Gutiérrez H,Heinz T,Hong S,Huang J,Ismach A,Johnston-Halperin E,Kuno M,Plashnitsa V,Robinson R,RuoffR,Salahuddin S,Shan J,Li S,Spencer M,Terrones M,Windl W,Goldberger J 2013ACS Nano7 2898

[50]Novoselov K,Fal’ko V,Colombo L,Gellert P,Schwab M,Kim K 2012Nature490 192

[51]Li X,Ren H,Chen X,Liu J,Li Q,Li C,Xue G,Jia J,Cao L,Sahu A,Hu B,Wang Y,Jin G,Gu M 2015Nat.Commun.6 6984

[52]Yue Z,Xue G,Liu J,Wang Y,Gu M 2017Nat.Commun.8 15354

[53]Hasan M,Kane C 2010Rev.Mod.Phys.82 3045

[54]Lu L,Joannopoulos J,Solja?i? M 2014Nat.Photon.8 821

[55]Ni X,Kildishev A,Shalaev V 2013Nat.Commun.4 2807

[56]Huang K,Liu H,Garcia-Vidal F,Hong M,Luk’yanchuk B,Ten J,Qiu C 2015Nat.Commun.6 7059

[57]Huang L,Chen X,Mühlenbernd H,Zhang H,Chen S,Bai B,Tan Q,Jin G,Cheah K,Qiu C,Li J,Zentgraf T,Zhang S 2013Nat.Commun.4 2808

[58]Sun S,He Q,Xiao S,Xue Q,Li X,Zhou L 2015Nat.Mater.11 3292

[59]Zhang X,Tian Z,Yue W,Gu J,Zhang S,Han J,Zhang W 2013Adv.Mater.25 4567

[60]Khorasaninejad M,Aieta F,Kanhaiya P,Kats M A,Genevet P,Rousso D,Capasso F 2015Nano Lett.15 5358

[61]Wang Q,Zhang X,Xu Y,Gu J,Li Y,Tian Z,Singh R,Zhang S,Han J,Zhang W 2016Sci.Rep.6 32867

[62]Liu L,Zhang X,Kenney M,Su X,Xu N,Ouyang C,Shi Y,Han J,Zhang W,Zhang S 2014Adv.Mater.26 5031

[63]Wan X,Shen X,Luo Y,Cui T J 2014Laser Photon.Rev.8 757

[64]Aieta F,Genevet P,Yu N,Kats M,Gaburro Z,Capasso F 2012Nano Lett.12 1702

[65]Chong K,Wang L,Staude I,James A,Dominguez J,Liu S,Subramania G,Decker M,Neshev D,Brener I,Kivshar Y 2016ACS Photon.3 514

[66]Arbabi A,Horie Y,Ball A,Bagheri M,Faraon A 2015Nat.Commun.6 8069

[67]Walther B,Helgert C,Rockstuhl C,Setzpfandt F,Eilenberger F,Kley E,Lederer F,Tunnermann A,Pertsch T 2012Adv.Mater.24 6300

[68]Montelongo Y,Tenorio-Pearl J,Williams C,Zhang S,Milne W,Wilkinson D 2014Proc.Natl.Acad.Sci.USA111 12679

[69]Chen W,Yang K,Wang C,Huang Y,Sun G,Chiang I,Liao C,Hsu W,Lin H,Sun S,Zhou L,Liu A,Tsai D 2014Nano Lett.14 225

[70]Xu Q,Zhang X,Xu Y,Ouyang C,Tian Z,Gu J,Li J,Zhang S,Han J,Zhang W 2017Laser Photon.Rev.11 1600212

[71]Huang L,Mühlenbernd H,Li X,Song X,Bai B,Wang Y,Zentgraf T 2015Adv.Mater.27 6444

[72]Desiatov B,Mazurski N,Fainman Y,Levy U 2015Opt.Express23 22611

[73]Wen D,Yue F,Li G,Zheng G,Chan K,Chen S,Chen M,Li K,Wong P,Cheah K W,Pun E,Zhang S,Chen X 2015Nat.Commun.6 8241

[74]Mueller J,Rubin N,Devlin R,Groever B,Capasso F 2017Phys.Rev.Lett.118 113901

[75]Khorasaninejad M,Ambrosio A,Kanhaiya P,Capasso F 2016Science Adv.2 e1501258

[76]Zhang X,Jin J,Pu M,Li X,Ma X,Gao P,Zhao Z,Wang Y,Wang C,Luo X 2017Nanoscale9 1409

[77]Ye W,Zeuner F,Li X,Reineke B,He S,Qiu C,Liu J,Wang Y,Zhang S,Zentgraf T 2016Nat.Commun.7 11930

[78]Ye W,Li X,Liu J,Zhang S 2016Opt.Express24 25805

[79]Almeida E,Bitton O,Prior Y 2016Nat.Commun.7 12533

[80]Huang Y,Chen W,Tsai W,Wu P,Wang C,Sun G,Tsai D 2015Nano Lett.15 3122

[81]Wang B,Dong F,Li Q,Yang D,Sun C,Chen J,Song Z,Xu L,Chu W,Xiao Y,Gong Q,Li Y 2016Nano Lett.16 5235

[82]Wan W,Gao J,Yang X 2016ACS Nano10 10671

[83]Li X,Chen L,Li Y,Zhang X,Pu M,Zhao Z,Ma X,Wang Y,Hong M,Luo X 2016Science Adv.2 e1601102

[84]Li Q,Dong F,Wang B,Gan F,Chen J,Sun C,Song Z,Xu L,Chu W,Xiao Y,Gong Q,Li Y 2016Opt.Express24 16309

[85]Shrekenhamer D,Montoya J,Krishna S,Padilla W 2013Adv.Opt.Mater.1 905

[86]Karl N,Reichel K,Chen H,Taylor A J,Brener I,Benz A,Reno J,Mendis R,Mittleman D 2014Appl.Phys.Lett.104 091115

[87]Yao Y,Shankar R,Kats M,Song Y,Kong J,Loncar M,Capasso F 2014Nano Lett.14 6526

[88]Wang Z,Hu B,Li B,Liu W,Li X,Liu J,Wang Y 2016Mater.Res.Express3 115011

[89]Li Q,Tian Z,Zhang X,Singh R,Du L,Gu J,Han J,Zhang W 2015Nat.Commun.6 7082

[90]Li T,Huang L,Liu J,Wang Y,Zentgraf T 2017Opt.Express25 4216

[91]Tao H,Strikwerda A,Fan K,Padilla W,Zhang X,Averitt R D 2009Phys.Rev.Lett.103 147401

[92]Zhu W,Liu A,Zhang X,Tsai D,Bourouina T,Teng J,Zhang X,Guo H,Tanoto H,Mei T,Lo G,Kwong D 2011Adv.Mater.23 1792

[93]Ma F,Lin Y,Zhang X,Lee C 2014Light Sci.Appl.3 e171

[94]Zhu W,Song Q,Yan L,Zhang W,Wu P,Chin L,Cai H,Tsai D,Shen Z,Deng T,Ting S,Gu Y,Lo G,Kwong D,Yang Z,Huang R,Liu A,Zheludev N 2015Adv.Mater.27 4739

[95]Li L,Cui T,Ji W,Liu S,Ding J,Wan X,Li Y,Jiang M,Qiu C,Zhang S 2017Nat.Commun.8 197