近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授李貴新課題組在基于超構(gòu)表面的非線性光學(xué)矢量全息成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。在該研究中，超構(gòu)表面由在近紅外波段存在等離激元共振效應(yīng)并且具有三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的金超構(gòu)單元組成。根據(jù)非線性光學(xué)幾何相位原理，在線偏振飛秒激光泵浦下，超構(gòu)表面上產(chǎn)生的左旋、右旋倍頻光的振幅和相位可被同時(shí)調(diào)控。結(jié)合計(jì)算全息和逆向設(shè)計(jì)方法，可產(chǎn)生具有任意偏振分布的倍頻光學(xué)全息圖像。相關(guān)成果以“Nonlinear vectorial holography with quad-atom metasurfaces”為題發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》PNAS上。

自從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Dennis Gabor提出光全息術(shù)的概念以來(lái)，全息技術(shù)在先進(jìn)顯微成像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、光鑷、光通信、量子科學(xué)等諸多領(lǐng)域已取得了廣泛應(yīng)用。在過(guò)去幾十年中，矢量偏振全息成像始終吸引著科學(xué)家們的注意力。人們基于偶氮苯、鹵化銀材料、液晶聚合物等各向異性光學(xué)材料，發(fā)展了偏振敏感的光全息器件。然而，這類方法通常受光的工作波長(zhǎng)的限制，且一般只利用正交偏振光重建兩幅圖像。光學(xué)超構(gòu)表面的出現(xiàn)為矢量偏振全息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。光學(xué)超構(gòu)表面是一類由亞波長(zhǎng)尺寸的金屬或介質(zhì)超構(gòu)單元組成的平面光學(xué)器件，已被廣泛用于調(diào)控光的偏振、相位、振幅等自由度。與傳統(tǒng)的光敏各向異性材料相比，其工作波段可以覆蓋紫外、可見(jiàn)、紅外、太赫茲等波段。這些特性使得光學(xué)超構(gòu)表面在矢量全息成像應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。人們通過(guò)將幾何相位與共振相位、拓?fù)湎辔幌嘟Y(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高效率正交圓偏振編碼的全息成像。此外，人們基于偏振編碼的超構(gòu)表面展示了多路輸入輸出光學(xué)全息成像的能力。近來(lái)，科學(xué)家們報(bào)道了基于多原子超構(gòu)分子和瓊斯矩陣全息術(shù)的光學(xué)超構(gòu)表面，在單束線偏振光照射的情況下，實(shí)現(xiàn)了任意偏振分布的光學(xué)矢量全息成像。

在非線性光學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)非線性光學(xué)幾何相位原理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)具有三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的等離激元超構(gòu)單元上倍頻光的相位的連續(xù)調(diào)控。我們此前發(fā)展了同時(shí)在實(shí)空間與傅里葉空間對(duì)超構(gòu)表面上產(chǎn)生的倍頻光進(jìn)行波前調(diào)控的方法，并實(shí)現(xiàn)了基于非線性光學(xué)超構(gòu)表面的圖像存儲(chǔ)與全息成像功能。其主要原理是：通過(guò)將兩個(gè)具有三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的超構(gòu)單元組成“雙原子”超構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)倍頻光的相位、偏振和振幅的同時(shí)調(diào)控。 在非線性光學(xué)全息成像研究中，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的強(qiáng)度和偏振的空間分布實(shí)現(xiàn)任意調(diào)控具有很高的難度。（來(lái)源：南方科大）