创新点：鹏城实验室余少华院士和武汉大学郑国兴教授课题组借鉴计算像全息的设计原理，提出了一种完全不同于传统纳米印刷术的新型图像记录方法。通过用几何相位调制的超表面在特定衍射级次上记录振幅信息，实现了单一尺寸纳米结构超表面在无需偏振控制下，可记录任意灰度纳米印刷图像的新工作模式。
关键词：超表面，纳米印刷，计算全息，几何相位
超表面作为一种新兴的亚波长平面结构，对入射光波偏振、振幅和相位具有精准的调控能力，可用于各种新型微纳光学元件设计。同时其独有的结构紧凑性和超高分辨率也为高密度图像的存储和显示提供了一条新的途径，即能够用于产生超高分辨率、高保真度、高效率和色彩丰富的纳米印刷图像。以超表面为基础的纳米印刷术可以根据其原理大体分为两类，一是以纳米阵列尺寸变化为基础的光谱调制，二是以马吕斯定律为基础的偏振调制。然而，以两种调制方法为基础的纳米印刷术都存在着各自的不足之处，比如对于第一种以光谱调制为基础的纳米印刷术，其仅能实现色度、饱和度、亮度中色度和饱和度的调控，对于某一固定的颜色来说，亮度调控较困难；对于第二种基于偏振调制的纳米印刷术，虽然可精密调控亮度，但其额外的偏振控制装置不仅降低了超表面的结构紧凑性，并且这种方案也更倾向于图像加密而不是图像显示。
为了解决上述两种纳米印刷方案的不足之处，鹏城实验室余少华院士和武汉大学郑国兴教授课题组进行了一系列探索研究。根据正弦分布型相位全息图在衍射复现过程中存在着衍射级次空间分离这一现象，提出了一种基于相位调制的新型纳米印刷术，这种纳米印刷方案通过设计相位全息图的相位分布来实现0th衍射级内的振幅调制。具体来说，该纳米印刷方案利用正弦分布型相位全息图的出射光波空间分离特性，选取0th（也可选取其他级次）衍射级作为图像编码的信息通道，在保证相位全息图正弦分布的前提下，将图像信息编码进入相位全息图中。当根据几何相位调制原理将设计好的相位全息图的相位分布写入超表面纳米砖阵列转角排布后，超表面纳米砖阵列的高采样频率会使得相位全息图的衍射级之间的夹角保持在一个比较高的水平，从而降低非信息通道衍射级对信息通道的影响；当一束强度均匀的复现光波照射到正弦分布型相位全息图上时，仅在0th衍射级内可以观察到编码的图像信息，但对于出射光波整体（所有衍射级之和）而言，其振幅时仍是均匀的。总的来说，这种基于相位调制的纳米印刷术调控的是出射光波中某一部分的振幅分布，而不是整个出射光波的振幅分布。此外，基于相位调制的纳米印刷术同时具有优秀的技术兼容性。一方面，因为作为信息通道的相位全息图0th衍射级的观察面在超表面样片的表面，其传播距离几乎为零，所以纳米印刷图像具有偏振不敏感和无色散等特性，当将这种基于相位调制的纳米印刷术与光谱调制相结合后，可以实现高保真度、色彩丰富的彩色图像显示。另一方面，基于相位调制的纳米印刷术也为基于超表面的复用技术提供了一个新的平台，比如可以通过超表面几何相位和传输相位调制原理实现基于入射光波旋向的纳米印刷复用方案。
总而言之，这项工作展示了基于相位调制的纳米印刷术在图像显示领域的技术优势，包括但不限于自然光照明、偏振不敏感和无色散等优势，该工作将为纳米印刷术在图像显示、信息存储和信息复用等领域的应用提供新的视角。
WILEY
论文信息：
Computer-Generated Holographic Nanoprinting
Kuixian Chen, Zhiqiang Guan, Zile Li, Yan Yang, Zhixue He, Shaohua Yu*, Guoxing Zheng*
Laser & Photonics Reviews
Laser
& Photonics
Reviews
期刊简介
Laser & Photonics Reviews 是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学各个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。
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