超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)是人工設(shè)計(jì)的具有亞波長(zhǎng)厚度的單層結(jié)構(gòu)，能夠靈活的控制光的振幅，相位和偏振。基于超構(gòu)表面對(duì)于不同波長(zhǎng)光的振幅按需調(diào)控，它們被廣泛應(yīng)用于納米圖像器件的研究，實(shí)現(xiàn)了衍射極限分辨率、超高耐久度和如圖信息加密等優(yōu)異功能。而基于超構(gòu)表面對(duì)光場(chǎng)相位的精確調(diào)控，可發(fā)展新型高集成的彩色立體全息顯示技術(shù)。雖然超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)在平面和全息圖像的研究中取得令人欣喜的進(jìn)展，但基于單層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的任意平面和全息圖像集成一直未能實(shí)現(xiàn)。而且，由于超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的平面色彩僅能實(shí)現(xiàn)顏色色度（H）和飽和度（S）的調(diào)控而無(wú)法實(shí)現(xiàn)顏色強(qiáng)度（B）的任意調(diào)控，超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)一直無(wú)法呈現(xiàn)圖像陰影和色彩明暗變化，也就無(wú)法完全重現(xiàn)真實(shí)世界的畫(huà)面。上述兩個(gè)功能缺失極大地限制了超構(gòu)表面圖像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，是目前該領(lǐng)域研究亟需攻克的難題。
近日，我校物理學(xué)院王雪華教授和團(tuán)隊(duì)成員周張凱副教授、包燕軍研究員等提出一種能有效克服上述兩個(gè)功能缺失的方法?；趫F(tuán)隊(duì)前期發(fā)展的相干相位設(shè)計(jì)理念（Adv. Funct. Mater. 28, 1805306,2018），他們?cè)O(shè)計(jì)兩個(gè)硅納米棒作為超構(gòu)表面的基本相干像素結(jié)構(gòu)單元，從而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)透射的有效調(diào)控。通過(guò)獨(dú)立控制兩個(gè)納米棒的轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)單層結(jié)構(gòu)對(duì)振幅和相位的獨(dú)立調(diào)控，從而能夠在單層納米結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)任意全息與平面圖像的集成。更進(jìn)一步，針對(duì)于彩色平面圖像，可以通過(guò)硅納米棒的尺寸（即單根納米棒的長(zhǎng)和寬）以及納米棒之間的轉(zhuǎn)角差的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色HSB三參數(shù)的按需調(diào)控，從而將超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)色的調(diào)控能力從二維的色度-飽和度平面，真正拓展到三維的色度-飽和度-強(qiáng)度空間（如下圖）。
HSB顏色調(diào)控以及HSB平面打印圖像和三維全彩全息集成
以上研究成果將豐富和拓展超構(gòu)表面在圖像器件方面的應(yīng)用，比如實(shí)現(xiàn)有陰影信息的彩色圖像打印，開(kāi)發(fā)新型全彩平面與彩色全息圖像的集成顯示技術(shù)，研制基于平面和全息圖像集成的納米隱寫(xiě)信息安全技術(shù)等。同時(shí)，該工作中體現(xiàn)的相干像素設(shè)計(jì)理念也將對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)調(diào)控問(wèn)題提供新的解決思路和方案。
上述工作已于10月23號(hào)在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際知名期刊[Light: Science & Applications 8, 95 ( 2019). IF=14]。第一作者是中山大學(xué)包燕軍研究員，通訊作者是周張凱副教授、仇成偉教授（新加坡國(guó)立大學(xué)）和王雪華教授。該研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、“廣東省特支計(jì)劃”科技創(chuàng)新青年拔尖人才、廣東省自然科學(xué)杰出青年項(xiàng)目和一般項(xiàng)目、廣州市科技創(chuàng)新委“珠江科技新星”項(xiàng)目、中山大學(xué)基本業(yè)務(wù)費(fèi)、以及光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心等項(xiàng)目的大力支持。
