Los físicos y los científicos de materiales han desarrollado un dispositivo óptico compacto que contiene metasuperficies apiladas verticalmente que pueden generar texto microscópico y hologramas a todo color para el almacenamiento de datos cifrados y pantallas a color. Yueqiang Hu y un equipo de investigación en Diseño y Fabricación Avanzados para Carrocerías de Vehículos de la Facultad de Ingeniería Mecánica y de Vehículos de China implementaron un dispositivo de metasuperficie integrado en 3-D para facilitar la miniaturización del dispositivo óptico. Utilizando metasuperficies con características ultrafinas y compactas, el equipo de investigación diseñó elementos ópticos mediante la ingeniería del frente de onda de la luz en la escala de sublongitud de onda. Las metasuperficies poseían un gran potencial para integrar múltiples funciones en los sistemas optoelectrónicos miniaturizados. El trabajo ahora está publicado en Luz:ciencia y aplicaciones .

Dado que la investigación existente sobre multiplexación en el plano 2-D queda por incorporar completamente las capacidades de las metasuperficies para la multitarea, en el presente trabajo, el equipo demostró un dispositivo de metasuperficie integrado en 3-D. Para esto, apilaron una metasuperficie de holograma en un microarray de filtro de color basado en cavidades Fabry-Pérot (FP) monolítico para lograr una diafonía simultánea, Funciones de microimpresión y holografía a todo color altamente eficientes y independientes de la polarización. La función dual del dispositivo esbozó un nuevo esquema para el registro de datos, seguridad, pantallas de cifrado en color y aplicaciones de procesamiento de información. El trabajo en la integración 3-D puede extenderse para establecer sistemas ópticos planos multitarea que incluyan una variedad de capas funcionales de metasuperficie.

Las metauperficies abren una nueva dirección en optoelectrónica, permitir a los investigadores diseñar elementos ópticos dando forma al frente de onda de las ondas electromagnéticas en relación con el tamaño, forma y disposición de estructuras en la sublongitud de onda. Los físicos han diseñado una variedad de dispositivos basados ​​en metasuperficies que incluyen lentes, convertidores de polarización, hologramas y generadores de momento angular orbital (OAM). Han demostrado el rendimiento de los dispositivos basados ​​en metasuperficies para superar incluso los elementos refractivos convencionales para construir dispositivos ópticos compactos con múltiples funciones. Tales dispositivos son, sin embargo, retenido por deficiencias debido a una eficiencia reducida de nanoestructuras plasmónicas, requisitos de polarización, gran diafonía y complejidad de la lectura para dispositivos ópticos de banda ancha y de longitud de onda múltiple. Por lo tanto, los equipos de investigación pueden apilar dispositivos basados ​​en metasuperficies 3-D con diferentes funciones en la dirección vertical para combinar las ventajas de cada dispositivo. Al tiempo que reduce las dificultades de integración y aumenta la libertad de diseño para generar nuevas funciones y mejorar la inclusión de dispositivos ópticos para generar compactos, dispositivos multifuncionales.

En el presente trabajo, Hu y col. metasuperficies tridimensionales combinadas para formar una holografía a todo color apilando una micromatriz de filtro de color monolítico y una metasuperficie de holograma. El dispositivo resolvió los problemas de cuello de botella de la holografía a todo color, como la gran diafonía y el pequeño campo de visión (FOV). Obtuvieron una imagen de microimpresión en color iluminando el dispositivo con luz blanca. Los investigadores obtuvieron una imagen de holograma a todo color proyectando en el campo lejano bajo rojo (R), iluminación láser verde (G) y azul (B) (RBG), mientras se mezcla con tres imágenes de hologramas independientes en escala de grises. El nuevo dispositivo integrado 3-D mostró una baja diafonía, alta eficiencia y un proceso de fabricación simple. Usando las metasuperficies delgadas y planas, el equipo construyó un dispositivo integrado que superó a los dispositivos ópticos tradicionales. El trabajo representa un progreso sustancial en la exploración de metasuperficies integradas 3-D como polarizadores y meta-lentes para formar multifuncionales, sistemas ópticos ultrafinos.

El equipo de investigación desarrolló la microescala, Estructuras escalonadas que contienen una matriz de resonadores de cavidad Fabry-Pérot (MDMFP) de metal / dieléctrico / metal para actuar como filtros de color con espesores dieléctricos variados. Demostraron que los filtros de color MDMFP tienen una alta eficiencia de transmisión, amplia gama de colores (gama de colores) y anchos de línea espectrales estrechos en comparación con los filtros de color plasmónicos. Compusieron la metasuperficie del holograma de nanoestructuras dieléctricas isotrópicas para manipular la fase de propagación de la luz en la escala de sublongitud de onda y generar alta calidad, imágenes de hologramas de campo lejano.

Al iluminar el dispositivo con láseres RGB, Hu y col. generó tres independientes, Imágenes de holograma monocromáticas en escala de grises de campo lejano para mezclar cuidadosamente los tres canales y lograr una imagen de holograma a todo color. Diseñaron la metasuperficie para formar una proyección en la longitud de onda deseada y codificaron información holográfica en filtros de color dispuestos específicamente. incluida la información de microimpresión en color. La configuración experimental tenía varias ventajas y el dispositivo se podía fabricar fácilmente utilizando procesos comunes de litografía por haz de electrones (EBL) y evaporación de metales.

Durante el proceso de diseño y fabricación de los dispositivos 3-D, Hu y col. nanoagujeros dieléctricos diseñados en metasuperficies de holograma. Al alterar el tamaño de los nanoagujeros, los científicos obtuvieron diferentes respuestas de fase para dar forma al frente de onda deseado para el holograma. La escala de fase simplemente redujo la eficiencia del holograma sin afectar su información. El equipo de investigación utilizó un material de (poli) metacrilato de metilo (PMMA) con una altura de 400 nm, aunque se pueden aplicar estructuras y materiales más altos con un índice de refracción mayor para lograr una mayor eficiencia de difracción.

Para la configuración básica del filtro de color, Hu y col. usó una estructura de cavidad de resonancia de plata (Ag) / hidrógeno silsequioxano (HSQ) / Ag sobre un sustrato de cuarzo, donde las capas de plata actuaron como películas semirreflectantes. El equipo de investigación calculó la influencia del espesor de la película de plata en las longitudes de onda RGB utilizadas en los experimentos para mostrar la diafonía suprimida debido al aumento del espesor de la película de plata, pero con una eficiencia de transmisión reducida. Cuando la película de plata era solo más gruesa de 30 nm, la reducción de la diafonía fue insignificante. Hu y col. obtuvo una imagen de microscopía electrónica de barrido de color falso (SEM) del dispositivo de metasuperficie integrado 3-D fabricado para verificar su estructura. Compararon los espectros de transmisión experimental para el canal RGB con el cálculo teórico para mostrar que los resultados coincidían bien.

Para lograr funciones duales de microimpresión y holografía, los científicos desarrollaron un algoritmo de Gerchberg-Saxton (GS) modificado para codificar dos tipos de información independiente en una microimpresión y un holograma. El equipo hizo coincidir cada píxel de la imagen en color con el color más cercano en la paleta, para formar componentes multicolores. Seleccionaron filtros de color adecuados para los canales RGB con una pequeña diafonía entre sí para finalmente lograr una R separada, G y B, imágenes de holograma en escala de grises. Luego fusionaron los componentes de distribución de tres fases para formar la fase final del holograma. Para verificar el concepto, construyeron una metasuperficie integrada en 3-D con una microimpresión de color tricromático de la holografía de un hombre corriendo. Hu y col. comparó la simulación y el resultado experimental para mostrar que el dispositivo recuperó bien la información de la imagen diseñada. El concepto de microimpresión y holograma multiplexado en longitud de onda se puede utilizar para el cifrado para mejorar la seguridad de la información. Los científicos pueden utilizar diferentes combinaciones de canales láser para crear una imagen a todo color equilibrando las potencias de entrada de RGB.

Basado en la función dual de la microimpresión y el metaholograma de color, los científicos desarrollaron dos dispositivos de cifrado. Compararon los resultados simulados y experimentales de las microimpresiones tricromáticas del primer dispositivo, que incluía la ecuación masa-energía propuesta por Albert Einstein. La microimpresión de 50 x 50 píxeles incluía la información principal en rojo y el fondo en verde y azul. Luego, el equipo de investigación proyectó un metaholograma en color diseñado en paralelo a la microimpresión y capturó la imagen del holograma utilizando iluminación láser RGB. Para la imagen del holograma, utilizaron un retrato tricromático de Albert Einstein, que combinó las imágenes binarias RGB. Similar, Hu y col. desarrolló una microimpresión de las ecuaciones de Maxwell y un retrato holográfico de James Clerk Maxwell.

El equipo de investigación utilizó diversas cavidades MDMFP con varios espesores dieléctricos dentro del dispositivo de metasuperficie integrado para realizar una microimpresión a todo color de una imagen arbitraria. Adicionalmente, obtuvieron un holograma a todo color combinando las imágenes monocromáticas en escala de grises de los canales RGB. Por ejemplo, cuando luego codificaron la metasuperficie con una imagen a todo color que contenía información en escala de grises de una "pintura china de un loto, "podrían demostrar la holografía a todo color de un loto rosa con un núcleo de flor amarilla, hoja verde oscuro, agua oscura y libélula roja. El equipo pudo ajustar la potencia de los tres láseres en el experimento para lograr el resultado más cercano a la imagen original. Debido a la pequeña diafonía de los diferentes canales, los científicos pudieron recuperar la mayoría de los detalles de la pintura combinando los tres componentes monocromáticos.

De este modo, Yueqiang Hu y sus colegas propusieron y demostraron un concepto de metasuperficie integrado en 3-D para realizar holografía a todo color apilando verticalmente una micromatriz de filtros de color y una metasuperficie de holograma nanoestructurado. Antes de la integración, el dispositivo mostró funciones duales para encriptación y almacenamiento. Los investigadores obtuvieron microimpresiones en color miniaturizadas bajo iluminación de luz blanca y hologramas a todo color con iluminación láser RGB. con baja diafonía y alta eficiencia en comparación con las técnicas existentes para lograr una holografía a todo color. El trabajo proporciona excelentes ejemplos del uso de metasuperficies en dispositivos optoelectrónicos multifuncionales en chip para miniaturizar sistemas ópticos.

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