李贵新课题组在基于超构表面的非线性光学矢量全息成像领域取得新进展

近日，南方科技大学材料科学与工程系教授李贵新课题组在基于超构表面的非线性光学矢量全息成像领域取得重要进展。在该研究中，超构表面由在近红外波段存在等离激元共振效应并且具有三重旋转对称性的金超构单元组成。根据非线性光学几何相位原理，在线偏振飞秒激光泵浦下，超构表面上产生的左旋、右旋倍频光的振幅和相位可被同时调控。结合计算全息和逆向设计方法，可产生具有任意偏振分布的倍频光学全息图像。相关成果以“Nonlinear vectorial holography with quad-atom metasurfaces”为题发表于《美国国家科学院院刊》PNAS上。

自从诺贝尔物理学奖获得者Dennis Gabor提出光全息术的概念以来，全息技术在先进显微成像、数据存储、显示、光镊、光通信、量子科学等诸多领域已取得了广泛应用。在过去几十年中，矢量偏振全息成像始终吸引着科学家们的注意力。人们基于偶氮苯、卤化银材料、液晶聚合物等各向异性光学材料，发展了偏振敏感的光全息器件。然而，这类方法通常受光的工作波长的限制，且一般只利用正交偏振光重建两幅图像。光学超构表面的出现为矢量偏振全息技术的发展带来了新的契机。光学超构表面是一类由亚波长尺寸的金属或介质超构单元组成的平面光学器件，已被广泛用于调控光的偏振、相位、振幅等自由度。与传统的光敏各向异性材料相比，其工作波段可以覆盖紫外、可见、红外、太赫兹等波段。这些特性使得光学超构表面在矢量全息成像应用中具有明显的优势。人们通过将几何相位与共振相位、拓扑相位相结合，实现了高效率正交圆偏振编码的全息成像。此外，人们基于偏振编码的超构表面展示了多路输入输出光学全息成像的能力。近来，科学家们报道了基于多原子超构分子和琼斯矩阵全息术的光学超构表面，在单束线偏振光照射的情况下，实现了任意偏振分布的光学矢量全息成像。

在非线性光学领域，根据非线性光学几何相位原理，可实现对具有三重旋转对称性的等离激元超构单元上倍频光的相位的连续调控。我们此前发展了同时在实空间与傅里叶空间对超构表面上产生的倍频光进行波前调控的方法，并实现了基于非线性光学超构表面的图像存储与全息成像功能。其主要原理是：通过将两个具有三重旋转对称性的超构单元组成“双原子”超构单元，实现了对倍频光的相位、偏振和振幅的同时调控。 在非线性光学全息成像研究中，实现对光的强度和偏振的空间分布实现任意调控具有很高的难度。（来源：南方科大）