全息显示能够直接重建目标场景中物体的物理光波，使得人眼能够最自然地观察显示信息，因此被认为是终极的显示技术方案之一。全息显示中，空间光调制器(SLM)是最核心的器件，对照明光进行调控。然而，现有的商用空间光调制器存在着像素尺寸过大、调控能力有限、衍射噪声显著等问题，成为了全息显示进一步发展的主要瓶颈，亟需引入一种新颖的光波前调控器件。作为新型微纳光学元件，超表面具有亚波长的人工结构，能够与光产生强烈的相互作用，从而对光波的振幅、相位、偏振、波矢等参量进行调控，实现传统光学元器件无法完成的特定任务。将其与具有高冗余性与高鲁棒性的全息术相结合，进一步增加了光学超表面的自由度与灵活性，拓展了应用潜力。学者们利用偏振、角动量、角度等参量不断增加复用维度，大幅提升了超表面全息的信息存储容量和密度。超表面全息具有诸多优势，尽管已经有各种尝试，但其百纳米级的特征尺寸增加了制备加工难度，因而如何利用超表面元件实现动态可调依然是一个重大挑战。针对彩色全息显示，要求超表面元件能够对不同频率的入射光进行特异的调制，进一步增加实现了难度。
为解决上述问题，北京理工大学王涌天教授团队的黄玲玲教授、李昕副研究员与哈尔滨工业大学（深圳）的肖淑敏教授进行合作，借鉴信息通信领域的码分复用技术，并在此基础上结合各向异性超表面，提出了多波长码分复用超表面全息。根据码分复用技术，利用选定的基础码为“钥匙”对目标信息进行混叠编码与解码读出，研究团队对全息中的参考光信息进行“改造”，并引入了多波长信息通道，以不同的编码参考光与目标场景的光波信息共同编码到一个超表面全息元件上，从而实现超多通道的信息记录与重建。
图1 基于码分复用超表面的彩色全息视频显示。(a)原理示意，(b)编码照明信息，(c)和(d)目标重建场景。
研究团队深入分析彩色码分复用机制，充分挖掘全息波前编码特性，使非正交彩色编码参考光引入码分复用超表面全息中。利用提出的多通道迭代合成优化算法，对红绿蓝三组图像信息进行编码。针对彩色显示在可见光波段的情况，研究团队设计了TiO2的纳米立柱，通过各项异性调控实现额外提供水平与竖直双偏振通道。通过扫描优化微纳结构不同几何参数的电磁响应，从而生成加工数据，并利用电子束曝光(EBL)与反应离子束刻蚀(RIE)制备出所需的样品。
图2 彩色码分复用超表面结构与实验光路。(a)和(b)样品扫描电镜显微成像图，(c)实验光路示意。
在实验验证中，团队成功将48个独立通道信息编码到一片超表面全息元件上，各个通道信息只有通过特定偏振下对应的编码照明才能被读出。研究团队搭建了基于数字微镜器件(DMD)的时分复用彩色照明系统，通过时序地在DMD上加载信息，配合光源的照明波长的时序改变，逐帧逐波长地将存储信息解码出来，进而成功实现彩色全息视频显示。该方法展示了高信息密度、高兼容性、高灵活性以及高安全性，在信息显示、数据存储、光学加密、多功能动态光学调控等领域应用前景广泛。
图3 基于码分复用超表面的彩色全息视频显示实验重建结果
该项研究成果以“Time-sequential color code division multiplexing holographic display with metasurface”为题发表在Opto-Electronic Advances（光电进展），并被选为2023年第8期封面文章。
研究团队简介
该联合研究团队来自北京理工大学光电学院北京市混合现实与新型显示工程技术中心以及哈尔滨工业大学（深圳）微纳米光子学实验室，主要研究方向包括新型微纳光学元器件物理机制及功能应用、光场调控、衍射光学、全息术、信息光学、新型显示原理与器件等领域方面以及纳米光电功能材料及其器件等。肖淑敏教授、王涌天教授和黄玲玲教授为该研究工作的通信作者，李昕副研究员为本论文的第一作者。该研究工作得到了国家重点研发项目(2021YFA1401200)、北京市卓越青年科学家项目(BJJWZYJH01201910007022)、国家自然科学基金(U21A20140、92050117)、北京市前沿新材料技术创新项目(Z211100004821009)以及北京理工大学青年教师学术启动计划(XSQD-201904005)的支持。
北京理工大学光电学院北京市混合现实与新型显示工程技术中心微纳光子与先进显示实验室
哈尔滨工业大学（深圳）微纳米光子学实验室
相关论文
Li X, Chen QM, Zhang X, Zhao RZ, Xiao SM et al. Time-sequential color code division multiplexing holographic display with metasurface. Opto-Electron Adv 6, 220060 (2023).
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