近日，来自天津大学精密仪器与光电子工程学院、太赫兹研究中心张伟力教授、韩家广教授研究团队以及南安普敦大学光子超材料研究中心Eric Plum教授团队在反射型手性超全息成像（chiral meta-holography）的研究中取得了突破性进展，该项研究成果以“Reflective chiral meta-holography: multiplexing holograms for circularly polarized waves”为题在6月27日发表在《Light: Science & Applications》杂志上。

光是一种电磁波，在传播中携带有振幅和相位的信息。我们日常生活中的普通照相只能摄取二维(平面)图像，即只记录来自物体的光波的强度（振幅）分布图像，而不包括相位的信息。与普通照相不同，全息摄影（Holography）是一种不使用透镜就能记录和再现物体三维(立体)图象的照相方法。它能够把来自物体的光波波阵面的振幅和相位的信息同时记录下来，又能在需要时再现出物体的三维信息。

近年来，随着计算机科学和光电子学的迅速发展，通过数值计算而产生的全息图像在整个电磁频段甚至声学领域都得到了越来越广泛的应用。空间光调制器（spatial light modulator）的出现和使用更是实现了实时光学信息处理、光互连、光计算的高效运转，使获得高质量的全息成像以及动态全息显示成为可能。

然而，由于“像素”的存在，空间光调制器只能控制具有有限空间分辨率的电磁波的强度或相位，而其数值往往要大于波长。相比之下，亚波长的像素化具有一个独特的优势，即能够在超全息图中消除不必要的共轭图像（传统全息图中所存在的），从而使得超表面（Metasurface）能够在更高的空间分辨率下控制电磁波的振幅和相位。

由于超表面材料中的亚波长尺寸单元能够使得电磁波的振幅和相位任意分布，因此可以将其广泛地应用于超表面全息摄像技术中。然而，由于现有全息图中不可避免地存在来自左手波和右手波产生的不同影响，因此获得具有圆偏振波的全息图仍然比较困难。在本项研究工作中，研究人员成功演示了如何在平面手性单元完全独立地实现由不同方向的圆偏振光所形成的多重全息图，为圆偏振光的选择性全息摄影提供了一个全新的思路。通过选择手性相反的平面手性元素，研究人员能够在相反旋向的圆极化波照射下，得到显示出完全独立图像的超全息图——既不会改变圆偏振波的旋向，也不受偏振串扰。

该研究向我们展示了如何把完全独立的左旋圆极化波（LCP）和右旋圆极化波（RCP）的光学功能组合在单个器件中——这一尝试有利于实现双通道的全息显示。总之，除了应用于全息成像之外，本次实验中所展示的方法还可以针对圆偏振波，设计出更多具有可选择性和可多路复用的超表面器件，例如设计能够对相反手性波进行方向调节或聚焦的器件等,并推广到偏振测量、偏振选择性图像检测和偏振编码信息信道的空间分离等实际应用领域中去。

图一 反射型手征元全息成像示意图

a 在具有相反手性的圆偏振波照射下“L”（图a)和“R”(图b)被重建在相同的位置,其中蓝色单元反映LCP，红色单元反映RCP

图二 平面手性单元及其反射特性的模拟结果

a 双分裂环谐振器（DSRR）三层结构的示意图，其中，R、W、Y分别代表DSRR的外半径、线宽和取向角

b 在LCP照明的0.6THz反射电场条件下，L型DSRR阵列LCP分量的强度ε2和相移

c,d 圆偏振强度下取向角 β=0时L型（图c）和R型（图d）DSRR阵列的反射光谱

图三 基于分块迭代算法的超全息设计图

两个流程图的初始输入相位是随机分布的，α和ω分别代表振幅和相位分布。

图四 超全息成像器件

a 反射式手性超全息成像器件的部分光学显微镜图像

b 超全息成像器件的放大截面

图五 测量装置示意图

a 基于反射光纤的近场扫描太赫兹显微镜装置示意图

b 在图a超表面附近的俯视图

c 检测到的太赫兹时域信号图

图六 圆偏振波读取的多重全息图像

a-d 在0.6 THz条件下分别对LCP和RCP在像平面上的强度分布进行了模拟(图a,b)和测量(图c,d)

e,f 在像平面上测量0.6THz条件下对立圆极化波之间的强度转换图

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-018-0019-8

来源：两江科技评论