近期，eLight（IF：27.2）杂志以封面文章报道了南京大学马玲玲助理教授、陆延青教授团队和新加坡国立大学仇成伟教授团队关于矢量全息术的联合研究新成果（eLight4, 5 (2024))。

该工作利用瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的光机系列和液晶系列产品将像素化液晶空间复用与左右旋全息相位差编码相结合，展示了一个多波长适用、可动态切换的液晶矢量光学平台。

研究背景 

作为一种光学波形控制技术，全息术已成为从增强现实和虚拟现实到数据存储和光学加密等各种应用的强大工具。它允许对光的波前进行完整的重建。为了探索多通道光学通信和增强光学加密的全部潜力，研究人员在矢量全息术方面做出了许多努力，它涉及以空间变化的方式操纵偏振和振幅。在不同的方法中，由亚波长结构单元组成的超表面已被证明在以前所未有的精度设计电磁波波形方面非常有效。凭借多重设计自由度，使用双原子等离子体超表面、几何相位介质超表面或基于氮化镓的像素化的超表面，可以产生具有偏振控制的矢量全息图。然而，基于光刻的超表面的静态几何形状不可避免地限制了全息术中的动态和陆续在可调谐性。对于多用途的应用，非常需要具备易于制造和增强功能的智能响应矢量光学平台。 液晶作为一种自组装的软物质本质上具有晶体的各向异性和液体的流动性，已经成为显示市场的主导力量，也是各种非显示领域的后起之秀。特别是，几何相位液晶以其无光刻制造、灵活可调谐、高效、平面配置和宽带宽的优点，在光学波形控制中引起了广泛关注，在空间光调制、信息存储、全息成像等方面有着广阔的应用前景。然而，作为一种纯相位材料（仅在近场中改变光的相位），传统的液晶器件只能实现标量光学全息术（图1a），其中液晶全息图被限制为只能控制具有均匀偏振和随机相位分布的全息图像的光强分布。最近还顺利获得将液晶与超表面集成来加入可调性。具有任意空间变化偏振和强度控制的单材料液晶矢量全息术仍然具有挑战性。

设计原理

为分析决上述难题，瓦力棋牌瓦力展示了一种新的单材料液晶编码方法来显示多功能和可调谐的矢量全息术，其中偏振和振幅都在不同的位置被控制。利用提出的双循环迭代改进的Gerchberg–Saxton（GS）算法，瓦力棋牌瓦力生成了螺旋复用液晶全息图，以合成具有无限可能性的全矢量光场。全息光场的强度分布可以根据空间变化的偏振模式选择性地和陆续在地寻址，该偏振模式由左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）的全息图像的加权叠加确定。

图1：从液晶标量全息到液晶矢量全息

单层和单材料液晶矢量全息术设计原理如图1b所示。液晶超结构由具有LCP和RCP的螺旋复用相位全息图的液晶指向矢的棋盘分布组成。值得注意的是，不同颜色（蓝色和红色）的液晶指向失是相同的材料，但被设计作用于不同的圆偏振全息图。为了独立地取得全息图像的期望强度和矢量分布，瓦力棋牌瓦力提出了一种用于单材料矢量LC全息平台的双环迭代改进的GS算法（图2）。这里，为LCP和RCP设置了两个独立的目标图像，它们具有特定的振幅分布（ 和 ）和明确的相位差分布（）。瓦力棋牌瓦力的GS算法涉及两个关联的迭代循环，以优化LCP和RCP的LC相位全息图。同时，瓦力棋牌瓦力有意引入中间步骤来建立它们的相位之间的相关性，从而允许同时优化瓦力棋牌瓦力设计的、 和 分布。在这种情况下，瓦力棋牌瓦力操纵LCP和RCP的全息图像之间的 分布，同时让它们各自的相位分布不受有意控制，解放了一定的设计自由度。因此，瓦力棋牌瓦力取得了LCP和RCP的两个相位全息图，用于随后计算液晶指向矢分布  和  。最终的液晶指向矢分布  是顺利获得将  和  空间复用在一起而取得的。

图2：用于矢量液晶全息术的改进Gerchberg-Saxton算法的流程图。

与具有相对陆续在的液晶指向矢分布的标量液晶全息图不同（图1a），螺旋度复用的矢量LC全息图（图1b）呈现像素化的轮廓，通常在相邻域内具有液晶指向矢的突变。这种像素化的LC分布对制造提出了挑战。为了克服这个问题，研究团队使用高精度光学元件和精细对准的光路对动态光图案化系统进行了升级（图1d），从而可以准确生成光配向图案。

可编程偏振控制的矢量LC全息术 

作为概念验证，瓦力棋牌瓦力设计并制作了三组液晶结构，以实验证明矢量液晶全息术。瓦力棋牌瓦力第一时间设计一种矢量液晶全息时钟，该时钟基于偏振钥匙（检偏器）显示不同的时间信息（图3a）。嵌套了两组相位全息图（用于时针和用于分针），并编码到一个LC元件中。RCP和LCP光的入射分别产生“时针”和“分针”的独立全息图像。顺利获得LP光照、矢量信息可以被编码在两个全息图像重叠的区域中。

图3 液晶矢量全息时钟

为了进一步证明了全息振幅和矢量分布的陆续在控制，图4a显示了全息图I的目标强度分布，描绘了具有陆续在变化强度分布的“月球”图像。瓦力棋牌瓦力对不同位置（从0到π）的相位差进行陆续在编码，以生成陆续在梯度LP轮廓（图4b）。为了与月球的月相变化保持一致，瓦力棋牌瓦力专门设计了一个弧形的相位分布。图4a和4b中的箭头示出了LP的分布，它们的方向和长度分别表示偏振矢量场的方向和振幅。为了全面覆盖庞加莱球面赤道上的矢量信息（图4c），瓦力棋牌瓦力设计了另一种全息液晶超结构II，它采用了相同的“月亮”强度模式，但具有反向的LP分布（从−π/2到0）和弧梯度（图4d和图4e）。

图4 液晶矢量全息月相

除此之外，利用液晶结构的动态可调谐性，研究人员成功实现了偏振/电寻址时序矢量全息动画。目标动画片段选自著名的足球比赛“曼联2-0朴茨茅斯，2008年1月30日”，其中一名足球运动员主罚任意球。如图5a所示，瓦力棋牌瓦力分别用LCP和RCP对足球门（紫色）和比赛得分（蓝色）的区域进行编码。球员任意球的时间序列帧（绿色、黄色、红色和深红色）用不同的相位差编码（），这使瓦力棋牌瓦力能够创建全息显示器的多路复用时间序列。

图5 偏振/电寻址式液晶矢量全息动画

总结

致谢

南京大学现代工程与应用科研学院2021级硕博连读生王泽宇为本文第一作者，马玲玲助理教授、仇成伟教授和陆延青教授为本文共同通讯作者。南京大学胡伟教授、陈伟副研究员、魏阳博士后和天津大学戴海涛教授给予了重要建议与指导，新加坡国立大学博士研究生周舟、南京大学硕士研究生张涵和南京大学硕士毕业生于宏冠对本文亦有重要贡献。本工作在国家重点研发计划、国家自然科研基金等项目的支持资助下完成，并得到人工微结构科研与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。

作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）给予的光学元件与仪器支持。