Principio del diseño de holografía de metasuperficie y resultados estadísticos del número de cada nanofina (diferentes secciones transversales y ángulos de orientación) contenidas en los hologramas de metasuperficie diseñados. Ilustraciones esquemáticas de hologramas multiplexados por polarización basados en metasuperficies dieléctricas. Las flechas roja y azul indican la polarización de la luz incidente y el eje de transmisión del polarizador colocado detrás de la muestra de metasuperficie. El rojo, azul, y el color verde de las imágenes reconstruidas (las palabras "holografía", "meta", y "superficie") representan componentes de la luz de salida, respectivamente. a) Polarización de dos canales y un holograma multiplexado en ángulo basado en metasuperficies compuestas por nanofinas con diferentes secciones transversales pero ángulos de orientación fijos, que se puede utilizar para reconstruir dos conjuntos de imágenes fuera del eje. b) Holograma multiplexado de polarización multicanal basado en metasuperficies compuestas por nanofinas con diferentes secciones transversales y ángulos de orientación, que se puede utilizar para reconstruir tres imágenes independientes y todas las combinaciones de estas imágenes (12 canales en total). c) Holograma de polarización y multiplexación de ángulo de dos canales (permite la aparición de "tigre de dibujos animados", "Muñeco de nieve de dibujos animados", "tetera", "taza"), b) Holograma multiplexado por polarización multicanal (aparición de la palabra "holografía", "meta", “Superficie”) c) Holograma multiplexado por polarización multicanal (apariencia de “dados”) d Holograma multiplexado por polarización multicanal (apariencia de una “persona de dibujos animados”). Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
La holografía es una herramienta poderosa que puede reconstruir frentes de onda de luz y combinar las propiedades fundamentales de onda de amplitud, fase, polarización, vector de onda y frecuencia. Las técnicas de multiplexación inteligente (integración de múltiples señales) junto con los diseños de metasuperficie tienen actualmente una gran demanda para explorar la capacidad de diseñar sistemas de almacenamiento de información y mejorar la seguridad de cifrado óptico utilizando tales hologramas de metasuperficie.
La holografía basada en metasuperficies es un candidato prometedor para aplicaciones en pantallas / almacenamiento ópticos con una enorme capacidad de carga de información junto con un gran campo de visión en comparación con los métodos tradicionales. Para realizar prácticamente hologramas de metasuperficie, Los perfiles holográficos deben codificarse en nanoestructuras ultrafinas que posean fuertes interacciones luz-materia (interacciones plasmónicas) en una distancia ultracorta. Las Metasuperficies pueden controlar la luz y las ondas acústicas de una manera que no se ve en la naturaleza para proporcionar una plataforma flexible y compacta y realizar una variedad de hologramas vectoriales. con información de alta dimensión que supera los límites de los cristales líquidos o fotorresistentes ópticos.
Entre las técnicas existentes empleadas para lograr propiedades ópticas muy deseadas, La multiplexación de polarización (integración de múltiples señales) es un método atractivo. La fuerte diafonía asociada con tales plataformas puede, sin embargo, Se puede prevenir con metasuperficies birrefringentes (superficies bidimensionales con dos índices de refracción diferentes) compuestas por un solo metaátomo por celda unitaria para una multiplexación de polarización optimizada.
Sin embargo, Queda por explorar la capacidad total de todos los canales de polarización para mejorar la capacidad de almacenamiento de información dentro de los hologramas de metasuperficie y en los dispositivos ópticos holográficos. En un estudio reciente, Ruizhe Zhao y sus colaboradores demostraron un nuevo método para realizar holografía vectorial multicanal para visualización dinámica y aplicaciones de alta seguridad. En el estudio, Se exploraron metasuperficies birrefringentes para controlar los canales de polarización y procesar información muy diferente a través de la rotación. Las imágenes vectoriales reconstruidas podrían cambiarse de una forma a otra con una diafonía insignificante seleccionando una combinación de estados de polarización de entrada / salida. Los resultados ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .
La polarización de dos canales y el holograma multiplexado en ángulo representa un tigre de dibujos animados, muñeco de nieve de dibujos animados, tetera y taza de té. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Los científicos primero derivaron un algoritmo de multiplexación para soportar el proceso de encriptación y visualización holográfica vectorial dinámica. Utilizando las teclas de polarización correctas, el receptor podría obtener la información exacta entregada. Al aumentar la complejidad de tales imágenes, Se obtuvo una flexibilidad aún mayor junto con un análisis detallado de las propiedades de la imagen vectorial reconstruida. Dado que el dispositivo que contiene las metasuperficies es de tamaño compacto, en la práctica, se puede transportar fácilmente con información codificada.
Para modelar el diseño de interés, Zhao y col. diseñó varias metasuperficies de silicio dieléctrico sobre un sustrato de vidrio utilizando grabado con plasma, seguido de litografía por haz de electrones. Las metasuperficies estaban compuestas por 1000 x 1000 nanofinas, es decir, nanoestructuras con la capacidad de aumentar la transferencia de calor a través de la mejora del área de la superficie y las interacciones líquido-sólido. Los investigadores estudiaron dos esquemas de múltiples canales de polarización; con o sin rotación usando las metasuperficies dieléctricas birrefringentes — para realizar los hologramas.
a) Ilustración esquemática de una nanofina de silicio amorfa colocada sobre un sustrato de vidrio. La metasuperficie estará compuesta por una disposición periódica de tales celdas unitarias. b – e) Resultados de simulación para la amplitud y fase de los coeficientes de transmisión txx y tyy mostrados para una optimización de parámetros 2D utilizando un método de análisis de ondas acopladas riguroso. La longitud y el ancho de la nanofina se barren en el rango de 80 a 280 nm a una longitud de onda incidente de 800 nm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Las metasuperficies dieléctricas birrefringentes se diseñaron utilizando nanofinas de silicio sobre un sustrato de vidrio. Para lograr los cambios de fase deseados, La optimización de los parámetros 2-D se llevó a cabo utilizando un método riguroso de análisis de ondas acopladas (RCWA). El método semi-analítico RCWA se aplica típicamente en electromagnetismo computacional para resolver la dispersión de estructuras dieléctricas periódicas. La longitud L y el ancho W de la nanofina estaban en el rango de 80 a 280 nm, altura a 600 nm y tamaño de período P a 400 nm. Los valores se seleccionaron cuidadosamente para garantizar que la fase de la luz de salida eliminara cualquier orden de difracción no deseado. Para la simulación, la nanofina se colocó sobre un sustrato de vidrio y se sometió a una longitud de onda fija de luz incidente a 800 nm. Los resultados de la simulación indicaron que la amplitud de transmisión de la mayoría de las nanofinas con diversas secciones transversales superaba el 90 por ciento de eficiencia. Los científicos determinaron los ángulos de orientación de las nanofinas utilizando ecuaciones derivadas del estudio para demostrar experimentalmente la multiplexación de polarización multicanal.
Configuración experimental e imágenes de microscopía electrónica de barrido de las muestras de metasuperficie fabricadas. a) El montaje experimental para la observación de las imágenes holográficas. Los dos polarizadores lineales (LP1, LP2) y dos placas de cuarto de onda (QWP1, QWP2) se utilizan para establecer la combinación de polarización precisa para la luz incidente / transmitida. La lente genera imágenes del plano focal posterior de la lente del objetivo del microscopio (× 40 / 0,6) a una cámara CCD. b – e) Imágenes de microscopía electrónica de barrido de dos muestras típicas de metasuperficie de silicio fabricadas que se muestran con una vista superior y lateral. Los hologramas de metasuperficie se componen de 1000 × 1000 nanofinas con diferentes secciones transversales y ángulos de orientación. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Para la caracterización óptica de los hologramas de metasuperficie, Zhao y col. utilizó una configuración experimental. La relación de aumento y la apertura numérica de la lente del objetivo se eligieron cuidadosamente para recolectar toda la luz de difracción de la muestra y reconstruir imágenes holográficas en el plano de Fourier. Los científicos utilizaron un segundo objetivo / lente para capturar el plano de Fourier en una cámara CCD. También observaron por separado dos imágenes de microscopía electrónica de barrido de las muestras con o sin rotación para caracterizar la superficie diseñada.
Como prueba de principio, usando las metasuperficies, Zhao y col. construyó imágenes holográficas de un tigre de dibujos animados y un muñeco de nieve que aparecían con alta fidelidad y alta resolución cuando se iluminaban con luz x-polarizada. Cuando la luz incidente se cambió a polarización y, las imágenes reconstruidas cambiaron a una tetera y una taza de té. En este experimento, solo dos canales de polarización estaban disponibles en la configuración, con ambos pares de imágenes holográficas reconstruidas y hechas desaparecer simultáneamente al girar el polarizador detrás de la muestra. Los resultados experimentales coincidieron con la simulación para confirmar el principio de diseño fundamental del estudio. La eficiencia de difracción neta del holograma se definió como la relación entre la intensidad de la imagen reconstruida y la potencia de la luz incidente.
Hologramas multiplexados por polarización multicanal (“Dice”). Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Los científicos pudieron diseñar y construir funcionalidades de multiplexación más complejas con 12 canales utilizando los mismos principios de diseño a partir de entonces. Las imágenes vectoriales se vieron como reconstrucciones holográficas con las combinaciones de polarización de entrada / salida desarrolladas según lo propuesto. La técnica también podría usarse para cifrar diferentes imágenes en la misma ubicación espacial. En cifrado, tal superposición puede transmitir un significado diferente en la reconstrucción. Como ejemplo, los científicos eligieron la imagen de un dado con seis superficies representativas, y mediante el uso de diferentes combinaciones de estados de polarización de entrada / salida, codificado hasta seis imágenes para su visualización.
El algoritmo de multiplexación derivado del estudio ayudó a la visualización holográfica vectorial dinámica y al cifrado de imágenes codificadas en metasuperficies dieléctricas birrefringentes. Utilizando las teclas de polarización correctas, un receptor podría obtener la información exacta entregada. Se podría obtener una mayor flexibilidad aumentando la complejidad de la imagen y cambiando el medio de cifrado a dióxido de titanio (TiO 2 ) o nitruro de silicio (SiN). La combinación de polarización correcta aseguró la información para una mayor complejidad durante el descifrado.
El holograma multicanal mantuvo un ancho de banda de trabajo relativamente grande ya que las imágenes reconstruidas pudieron observarse lejos de la longitud de onda diseñada de 800 nm. El estudio estableció una técnica de diseño e ingeniería que combinaba propiedades birrefringentes de nanofinas simples utilizadas como bloques de construcción. con libertad de diseño adicional de matriz de rotación y algoritmos de multiplexación inteligentes. Los resultados permitieron hologramas multiplexados de polarización multicanal de alta dimensión, con hasta 12 canales de polarización. De este modo, El cifrado eficiente basado en luz y las técnicas de visualización holográfica multicanal integradas pueden allanar el camino para la comunicación avanzada en aplicaciones de alta seguridad.
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