李仲陽課題組在超構表面光芯片實現AR全息顯示方面取得系列進展

2022-06-27 13:11:21
近日,武漢大學電子信息學院李仲陽教授課題組(Nanophotonics & Emerging Application Laboratory, NEAL)在Laser & Photonics Reviews、Nano Letters、Optica及Advanced Optical Materials上發表了關于超構表面光芯片實現AR全息顯示的系列研究成果,以上成果武漢大學均為第一署名單位。

圖1.相關成果分別入選為Laser & Photonics Reviews和Advanced Optical Materials封面文章

“Augmented Reality Enabled by On-Chip Meta-Holography Multiplexing”(《基于片上超構全息復用實現AR顯示》)圍繞納米光子學研究的關鍵方向“片上超構光學的AR全息顯示”展開研究,發表在Laser & Photonics Reviews并入選刊內封面論文。如圖1所示,該研究通過波導集成的超構表面光芯片,可以獨立地操縱片上導波和自由空間光,以實現具有獨立編碼自由度的三通道全息復用,并最終展示了一種多路復用并無零級衍射的片上超構全息的新型AR顯示技術。該論文的第一作者為電子信息學院碩博連讀生時陽陽與博士生萬成偉,通訊作者為李仲陽,論文共同作者還包括武漢大學鄭國興教授與香港大學張霜教授。

圖2.片上與自由空間多路復用全息及AR全息投影

如圖2所示,該研究通過利用光波導頂部納米結構的空間位移自由度引入二維迂回相位,實現了具有獨立編碼自由度的片上雙通道全息,并通過手機直接捕獲為彩色AR全息圖。通過進一步將迂回相位與自由空間PB相位(Pancharatnam-Berry)相結合,可以同時操縱片上導波和自由空間光波,相應地將AR全息多路復用擴展到三通道,這超出了現有的基于波導模式的全息技術的最高水平。由于全電介質結構良好的透明特性以及片上光學傳播方式,與傳統的自由空間全息相比,所得的AR投影圖像具有的良好清晰度和成像強度,其顯示視場也可以避免零級衍射對觀察造成的干擾。該研究提出的片上超構光學AR可與光子集成電路(PIC)技術兼容,因此未來有望實現與眼鏡或隱形眼鏡集成的可穿戴光芯片器件。

在動態AR顯示方向,課題組提出了“折疊”超表面設計方法并集成電驅動液晶器件實現動態可操控的AR顯示。研究成果“Dynamic Augmented Reality Display by Layer-Folded Metasurface via Electrical-Driven Liquid Crystal”(《電驅動液晶層折疊超表面的動態AR顯示》)已發表在Advanced Optical Materials上,并入選為封面(FrontCover)。如圖1所示,該研究通過巧妙地“折疊”多個超表面垂直空間上的光路,成功地將一個光束導向超表面和兩個全息超表面級聯在同一個平面上,只需要進行單次電子束曝光;同時其具有納米尺度的對準精度,克服了多層超表面之間的縱向對準困難。論文第一作者為電子信息學院博士生唐嬌和萬帥,通訊作者為李仲陽。

為了豐富片上的光學功能和信息容量,課題組進一步探索了大面積可調控的動態全息方向。研究論文“Immersive Tuning the Guided Waves for Multi-Functional On-Chip Meta-Optics”(《浸潤式操控導波的多功能片上超構光學》)的在Laser & Photonics Reviews期刊發表。該研究基于易操作且大面積可調控的浸潤式調控方案,實現了片上多平面三維全息、液體浸潤式的動態全息等新型功能,在動態顯示、光學傳感、光通信與光計算等應用中具有較大潛力。第一作者為博士生楊睿、萬帥和時陽陽,通訊作者為李仲陽。

在新型多維顯示技術的突破上,課題組的研究成果“On-chip meta-optics for semi-transparent screen display in sync with AR projection”(《片上超構光學實現半透明屏顯與同步AR投影》)發表于美國光學學會頂刊Optica。該研究通過設計雙超構原子的位移及其片上干涉,增加調制近場光散射強度的自由度,成功實現了可獨立編碼的雙通道半透明屏幕顯示,最終實現了與AR全息投影同步的屏顯技術(如圖3所示)。這種小型化的多維片上超構光學顯示技術,有望應用于可穿戴AR顯示、智能動態顯示、視覺美學、多維光信息存儲/加密等領域。論文第一作者為時陽陽,通訊作者為李仲陽。

圖3.片上超構光學實現半透明屏顯與同步AR投影

此外,在光束自由操控方面,論文“Free-Space Optical Merging via Meta-Grating Inverse-Design”(《基于超構光柵逆向設計的自由空間光束合并》)在權威期刊Nano Letters發表。研究圍繞光束操控中的基礎功能——光束合并展開。在傳統光學器件中,光束合并的功能由具有半透半反性質的分光鏡來實現,此方法不僅要求光從器件兩側入射,產生了等強度的雜散光,而且增加了光學器件的系統體積與復雜性。與之相比,該研究利用逆向設計的超構光柵分別向不同角度的入射光提供特定的橫向波矢,實現了僅通過反射形式即可完成光束合并,其功能可替代傳統半透半反鏡,豐富了光束操控器件的多樣性,有助于未來光學系統的微型化與集成化。論文第一作者為2020級碩士生王澤靜和2019級碩博連讀生代塵杰,通訊作者為李仲陽。

近年來,NEAL課題組在超構表面光學器件領域取得了一系列研究成果,在中科院分區一區TOP權威期刊發表多篇高水平成果,包括Advanced Functional Materials(IF=18.8)、Small(IF=13.3)、Laser & Photonics Reviews(IF=13.1)、Nano Letters(IF=11.2)、Optica(IF=11.1)等期刊。NEAL團隊未來將繼續推進微納光學器件在動態智能顯示與多維光場復用等現實應用中的創新和研究。(來源:武漢大學)

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