2018-12-08 17:08:01
多通道矢量全息显示和加密

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全息术是一种强大的工具,可以重建光的波前,并结合振幅,相位,极化,波矢和频率的基波特性。目前,要求智能多路复用技术(多信号集成)与超曲面设计一起探索使用这种超曲面全息图来设计信息存储系统和增强光学加密安全性的能力。

与传统方法相比,基于表面的全息术是光学显示/存储应用的有希望的候选者,具有巨大的信息承载能力以及大视野。为了实际实现超曲面全息图,应在超薄纳米结构上编码全息图,这些超薄纳米结构在超短距离内具有强烈的光 - 物质相互作用(等离子体相互作用)。超颖表面可以以自然界中未见的方式控制光波和声波,以提供灵活且紧凑的平台并实现各种矢量全息图,其具有超过液晶或光学光刻胶极限的高维信息。

在用于实现高度期望的光学性质的现有技术中,偏振复用(多信号积分)是一种有吸引力的方法。然而,与这种平台相关的强串扰可以通过双折射超曲面(具有两个不同折射率的二维表面)来防止,该双曲面由每单位单元的单个间原子组成,用于优化的偏振复用。

尽管如此,仍需研究所有偏振通道的全部容量,以改善超表面全息图和全息光学装置内的信息存储容量。在最近的一项研究中,Ruizhe Zhao及其同事展示了一种实现动态显示和高安全性应用的多通道矢量全息术的新方法。在该研究中,探索了双折射超曲面以控制偏振通道并通过旋转处理非常不同的信息。通过选择输入/输出偏振状态的组合,可以将重建的矢量图像从一种形式切换到另一种形式,具有可忽略的串扰。结果现已发表在Light:Science&Applications中。

科学家首先推导出一种多路复用算法,以支持动态矢量全息显示和加密过程。通过使用正确的偏振键,接收器可以获得所传递的确切信息。通过增加这种图像的复杂性,获得了更高的灵活性以及重建的矢量图像特性的详细分析。由于包含表面的装置尺寸紧凑,实际上,它可以利用编码信息容易地运输。

为了模仿感兴趣的设计,赵等人。使用等离子体蚀刻在玻璃基板上设计几个介电硅表面,然后进行电子束光刻。表面由1000×1000纳米鳍组成,即具有通过表面区域增强和液 - 固相互作用增强热传递的能力的纳米结构。研究人员研究了两种多极化通道方案;使用双折射电介质表面或不使用双折射电介质表面来实现全息图。

使用硅纳米鳍在玻璃基板上设计双折射介电表面。为了实现所需的相移,使用严格耦合波分析(RCWA)方法进行二维参数优化。 RCWA半分析方法通常应用于计算电磁学中以解决周期性介电结构的散射问题。纳米鳍的长度L和宽度W在80至280nm的范围内,600nm的高度和400nm的周期尺寸P.仔细选择这些值以确保输出光的相位消除任何不希望的衍射级。为了模拟,将纳米鳍置于玻璃基板上并经受800nm的固定波长的入射光。仿真结果表明,大多数具有不同横截面的纳米鳍片的透射幅度超过90%。科学家们利用研究中得出的方程式确定纳米鳍的定向角,以实验证明多通道偏振复用。

对于表面全息图的光学表征,Zhao等人。使用了实验装置。仔细选择物镜的放大率和数值孔径以收集来自样品的所有衍射光并在傅立叶平面中重建全息图像。科学家使用第二个物镜/镜头在CCD相机上捕捉傅立叶平面。他们还分别观察了具有或不具有旋转的样品的两个扫描电子显微镜图像,以表征工程化表面。

作为一个原理论证,使用元表面,赵等人。构建了卡通老虎和雪人的全息图像,当用x偏振光照射时,它们以高保真度和高分辨率出现。当入射光切换到y偏振时,重建的图像变为茶壶和茶杯。在该实验中,在设置中仅有两个偏振通道可用,通过旋转样品后面的偏振器,重建两对全息图像并使其同时消失。实验结果与模拟结果一致,以证实研究的基本设计原则。全息图的净衍射效率定义为单个重建图像的强度与入射光的功率之比。

科学家们能够使用相同的设计原理设计和构建具有12个通道的更复杂的多路复用功能。矢量图像被视为全息重建,其中输入/输出偏振组合如所提出的那样发展。该技术还可用于在相同的空间位置加密不同的图像。在加密中,这种叠加可以在重建上传达不同的含义。例如,科学家们选择具有六个代表性表面的模具图像,并使用输入/输出偏振状态的不同组合,编码多达六个图像进行查看。

在该研究中导出的多路复用算法辅助动态矢量全息显示和在双折射电介质表面上编码的图像的加密。通过使用正确的偏振键,接收器可以获得所传递的确切信息。通过增加图像的复杂性并将加密介质改变为二氧化钛(TiO 2)或氮化硅(SiN),可以获得更高的灵活性。正确的极化组合保证了信息在解密期间增强了复杂性。

多通道全息图保持相对大的工作带宽,因为可以远离800nm的设计波长观察重建的图像。该研究建立了一种设计和工程技术,结合了用作构建块的简单纳米鳍的双折射特性,以及旋转矩阵的超设计自由度和智能多路复用算法。该结果实现了高维多通道偏振复用全息图,具有多达12个偏振通道。通过这种方式,有效的基于光的加密和集成的多通道全息显示技术可以为高安全性应用中的高级通信铺平道路。

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