基于介质超表面的圆偏振复用全息

针对单一相位调控方式无法实现圆偏振复用问题,使用矩形硅砖结构,通过复合传输相位和几何相位,设计了一种工作在1.55μm下可以实现圆偏振复用全息的超表面。仿真结果表明,分别在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下,在远场可以观测到两幅清晰的全息图像,透过效率分别为60.8%和61.5%,偏振转化效率分别为79.1%和78.7%。设计的圆偏振复用超表面具有微弱串扰、两通道独立设计以及设计简单等优点,并且超表面元件体积小、重量轻、易于集成,在信息复用、信息存储或编码、防伪等方面具有较大的应用潜力。     

基于曲面基底偏振复用超表面的全息和隐身技术

共形超表面可以打破几何形状与光学功能之间的限制,可以显著改善任意曲面物体的光学特性,进而将超表面功能拓展到具有任意形状的组件中。当前尚未报道将偏振复用技术运用到共形超表面从而实现多偏振通道的多功能设计。文章设计了一种曲面基底的偏振复用超表面,基于传输相位调制原理设计了共形超表面的单元结构,使得超表面对不同偏振状态的入射光实现不同的相位调制,例如实现曲面全息和光学隐身等功能。这种共形超表面设计灵活性强,可以嵌入到各种非平面系统实现多功能,在军事安全、可穿戴电子设备等领域具有广泛应用前景。     

多维度超表面光场调控和全息显示技术

超表面器件的亚波长单元结构能够与光产生强烈的相互作用。通过对超原子的优化设计,能够对光场的各个参量进行多维度调控,为包括全息显示在内的众多应用光学领域带来全新的解决思路与方案。针对全息显示中核心光电调制器件能力有限的问题,发挥超表面器件超强的光场控制能力,利用多维度的复用调控,实现对信息通道数量的扩展,提升显示质量与效果。随着对超表面光场调控机制与复用技术的深入研究,超表面自身与相关应用领域都得到了长足发展。本文围绕超表面进行论述,着重介绍本课题组在多维度超表面的光场调控及全息显示中的研究进展。     

基于数字全息及复用技术的全场偏振态测试方法

提出了一种在数字全息记录系统中利用偏振和角分复用技术对光场进行偏振态检测的方法. 将全息系统中的一束参考光分为偏振方向相互正交、初相位相同的两束光, 并分别与物光相同偏振方向的两个分量干涉, 形成两幅子全息图, 同时记录在一帧画面中. 为了分开记录到的物光两个分量, 系统中利用了角分复用技术, 即在两束参考光中引入不同载频, 使物光两分量的频谱位于全息图频谱面的不同区域. 通过滤波、逆傅里叶变换和衍射计算, 获取距离全息图不同位置处物光两正交分量复振幅信息. 利用复振幅信息, 可以构建被测物光的斯托克斯参量和琼斯矢量, 从而表征物光的偏振态. 实验中, 通过对一束椭圆偏振光进行偏振态测量以及对该光束在不同空间位置处的偏振态进行表征, 表明该方法可以实现光束偏振态全场测试, 并且具有较高的可靠性. 关键词： 数字全息 偏振态 琼斯矢量 斯托克斯参量     

偏振敏感材料中具有圆各向异性的偏振全息光栅

在向列相液晶中掺杂质量分数约0.2%的偶氮侧链型聚合物制成偏振敏感材料,使用正交圆偏振光记录了具有圆各向异性的一维偏振全息光栅,用线偏振光探测偏振全息光栅,得到正,负一级衍射光也为线偏振光,且偏振态与探测光和零级偏振态相互正交,可以运用琼斯矩阵理论加以解释.偏振全息光栅可由外加电场控制衍射级的变化,即在外加电场作用下,正、负一级衍射产生了90°的相位差.在频率6.05 Hz、电压2.2 V的外场作用下,衍射级的极值振荡变化.     

多功能太赫兹超表面偏振控制器

本文提出了一种“金属栅-开口环/硅环-金属栅”结构的透射式超表面偏振控制器, 研究了入射角度和抽运光对该器件传输及偏振态控制性能的影响. 研究结果表明, 当线偏振太赫兹波垂直入射时, 可对0.39-1.11 THz频段的太赫兹波实现偏振方向90°旋转, 偏振旋转效率为99%, 损耗为1 dB. 对于斜入射的情况, 偏振转换性能在0-60°范围内基本保持不变, 且透过率达到90%以上. 同时, 通过调控抽运光强度的方式, 该器件能够实现对透射与反射太赫兹光束的强度调制, 调制深度均达到90%, 且可以实现太赫兹波偏振分束功能. 该器件可以作为未来太赫兹空间光通信和信息处理的宽带、角度不敏感、可调谐的偏振转换器和分束器.     

动态全息三维显示研究最新进展

全息三维显示是真三维显示技术, 其原理是利用光学干涉记录和衍射再现将物体或场景的三维信息全部重建出来, 所以观看全息三维图像与观看真实物体或场景的效果一样. 近期全息研究领域有一些突破性的成果被报道, 将推动全息显示的应用不断走向成熟. 本文将重点介绍基于光学材料和空间光调制器为全息图承载载体的动态全息三维显示最新发展状况. 虽然动态全息三维显示研究仍然存在挑战, 但最近研究中已经利用光学材料实现了实时动态全息三维视频显示, 这为未来实现大尺寸、高分辨率、彩色全息真三维视频显示提供了可能.     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H1.然后将H1作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H₁.然后将H₁作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

多路角度复用体全息三维显示技术

为满足高分辨率真三维大数据显示的空间带宽积要求,提出一种基于多通道角度复用模式的体全息三维显示技术。通过对三维场景进行波前编码,获得相位计算全息图,并将计算全息图依次按照不同角度复用记录到掺杂金纳米颗粒体全息光致聚合物材料的同一区域,获得复用体全息图,再现时可以在不同角度观察三维场景。在体全息三维显示实验系统中,实现体全息材料记录区域的单点像素总数为120×1 920×1 080,显示的空间带宽积达到了2.5×108,相对于空间光调制器显示提升了120倍。     

一种高衍射效率的偏振全息记录介质的研究

本文研究了一种偶氮染料——明胶体系的偏振全息记录材料的特性,它具有实时记录,可重复使用,衍射效率高(>30%),保存期长,所需阀值激光功率低等特点.此外还研究了衍射效率与偏振状态的关系,给出了详细的研究结果.     

基于极化旋转超表面的圆极化天线设计

本文通过设计出一种反射型极化旋转超表面,在8—12 GHz频域内实现高效的极化旋转,并将其加载于微带缝隙天线下方构成新型的极化旋转超表面天线,利用超表面的90°极化旋转效应,成功实现了天线的圆极化辐射调制.仿真与实验结果表明:圆极化天线的中心工作频率为GHz,阻抗带宽为8.3—10 GHz.当微带缝隙天线与极化旋转超表面的间距H=4.5mm时,天线在8.3—8.8 GHz频带内实现了圆极化辐射;当mm时,天线在8.8—9.3 GHz频带内实现了圆极化辐射;当=8mm时,天线在9.3—10 GHz频带内实现了圆极化辐射.实验结果与仿真结果相符,证明了此种设计方法的有效性,也为微带缝隙天线的圆极化设计提供了一种新的途径.     

Ultra-broadband and high-efficiency polarization conversion metasurface with multiple plasmon resonance modes

In this paper, we present a novel metasurface design that achieves a high-efficiency ultra-broadband cross polarization conversion. The metasurface is composed of an array of unit resonators, each of which combines an H-shaped structure and two rectangular metallic patches. Different plasmon resonance modes are excited in unit resonators and allow the polarization states to be manipulated. The bandwidth of the cross polarization converter is 82% of the central frequency,covering the range from 15.7 GHz to 37.5 GHz. The conversion efficiency of the innovative new design is higher than 90%.At 14.43 GHz and 40.95 GHz, the linearly polarized incident wave is converted into a circularly polarized wave.     

Transmission-type reconfigurable metasurface for linear-to-circular and linear-to-linear polarization conversions

We present a transmission-type polarization conversion metamaterial (PCM) whose functions can be dynamically switched among the linear-to-circular (LTC) and linear-to-linear (LTL) polarization conversions. The proposed PCM consists of a grating, a polarization conversion surface and a reconfigurable polarization selective surface incorporated with PIN diodes. By changing the states of diodes, the PCM can achieve the reconfigurable manipulations for incident waves. The Fabry-Pérot (F-P) resonances excited by the PCM contribute to the polarization conversions, as is illustrated. Moreover, through establishing the F-P-like cavity model and analyzing the electric field components of the transmitted waves, the conditions for realizing LTC polarization conversion are revealed, which can guide the construction of PCM. The prototype of PCM is fabricated and measured, which can achieve LTC and LTL polarization conversions within 3.31-3.56 GHz and 2.76-4.24 GHz, respectively, the polarization conversion ratios of two functions are higher than 0.95. The measurement results are in agreement with the simulation data.     

Dynamic polarization rotation and vector field steering based on phase change metasurface

Polarization rotation and vector field steering of electromagnetic wave are of great significance in modern optical applications. However, conventional polarization devices are bulky, monofunctional and lack of tunability, which pose great challenges to the miniaturized and multifunctional applications. Herein, we propose a meta-device that is capable of multi-state polarization rotation and vector field steering based on phase change metasurface. The supercell of the meta-device consists of four Ge₂Sb₂Te₅ (GST) elliptic cylinders located on a SiO₂ substrate. By independently controlling the phase state (amorphous or crystalline) of each GST elliptic cylinder, the meta-device can rotate the polarization plane of the linearly polarized incident light to different angles that cover from 19.8° to 154.9° at a wavelength of 1550 nm. Furthermore, by merely altering the phase transition state of GST elliptic cylinders, we successfully demonstrated a vector field steering by generating optical vortices carrying orbital angular momentums (OAMs) with topological charges of 0, 1 and −1, respectively. The proposed method provides a new platform for investigating dynamically tunable optical devices and has potential applications in many fields such as optical communications and information processing.     

体相位全息光栅式波分复用器的研究

利用体相位全息光栅的优良特性,研制光栅式密集型波分复用器(DWDM)。准直后的信道波长通过体相位全息光栅两次衍射,在焦面上实现信道波长的分复用。阐述了体相位全息光栅的独特结构特点,给出了体相位全息光栅式密集型光波分复用器件的原理图,计算出各个信道的位置及间隔,用Zemax仿真出设计模型。相比于薄膜滤光片式器件而言,具有许多独特的优良特性,能够实现更密集更多信道数量的分复用。     

偏分复用系统中偏振模色散补偿与偏分解复用一体化方案

本文建立了偏分复用系统中偏振模色散与信号偏振态变化引起信道串扰的数学模型, 分析了偏振模色散对偏分复用信道射频功率的影响, 并提出了适用于偏分复用系统的光域偏振模色散补偿与偏分解复用同时进行的方案: 用信道的射频功率作为反馈控制信号, 监测链路中偏振模色散和偏振态变化引起的信道串扰的大小, 用改进的粒子群优化算法对偏振控制器进行自适应控制, 同时完成偏振模色散补偿与偏分解复用. 在112 Gb/s偏分复用-差分正交相移键控(PDM-DQPSK)传输系统中仿真验证了该方案的有效性. 结果表明该方案可以使112 Gb/s-PDM-DQPSK传输系统完成自适应偏分解复用的同时, 在1 dB的光信噪比代价下, 使系统对偏振模色散的容忍度提高20 ps. 关键词： 偏分复用系统 信道串扰 偏振模色散 偏分解复用     

An all optical method of implementing a wavelength encoded simultaneous binary full adder-full subtractor unit exploiting nonlinear polarization rotation in semiconductor optical amplifier

Full adders and full subtractors are the basic circuit elements of any digital data processor in electronics as well as in the all optical domain. Again the wavelength dependent encoding/decoding techniques have established itself as a very promising and efficient tool having some inherent and unique advantages relative to the other well known intensity or polarization or phase dependent optical data encoding mechanisms. In this communication, the authors therefore propose a new scheme of implementing a wavelength encoded complete binary full adder-full subtractor unit in the all optical domain using the wavelength conversion by the nonlinear polarization rotation in a single semiconductor optical amplifier. The interacting signals are counter propagating in the semiconductor optical amplifier and hence can be set at the same wavelength. To realize the binary logic wavelength dependent encoding/decoding mechanism is exploited in our proposed scheme of full adder-full subtractor unit. Also the optical add/drop multiplexing employing the special filtering property of the semiconductor optical amplifier is utilized for the designing of the all optical system.     

新颖材料器件为全息显示带来的新机遇

三维显示是人类获取身临其境视觉信息的有效途径,其中全息技术能够提供人眼所需的全部深度信息,被认为是理想的三维显示方式.然而受目前显示器件的限制,如可刷新调制器件的时间-空间(时空)带宽积受限、海量数据云处理速率限制、图像质量不高的问题等,全息显示技术的发展进入了瓶颈期.为了提高显示质量、扩大时空带宽积、提升系统性能,需要发展崭新的全息显示器件,从根本上解决目前遇到的问题.超颖材料、超构表面以及二维材料等诸多新颖材料的涌现为全息显示带来新的机遇.超颖材料(表面)通过特殊设计,利用远小于波长的超构单元实现对波前各向同性或各向异性的振幅与相位的特异调控,进而将全息信息映射到超颖材料(表面)全息显示器件上,通过调控光波实现各种显示.发展可刷新的超构(表面、二维)材料并应用于动态全息显示中是未来的重要方向.虽然现有的新颖器件还面临着各种问题,但它们可为全息显示的发展提供潜在的可行性和新的视角与发展动力.