利用Janus超表面实现任意偏振态的方向性非对称全息成像

《Advanced Optical Materials》：Directionally Asymmetric Holographic Imaging for Arbitrary Polarization States Using Janus Metasurfaces

Janus超表面全息图通过单层TiO?元原子实现可见光波段双向照明下的高保真成像，结合相位调制与Dammann光栅设计克服传统极化控制和制造限制，提升图像均匀性与分辨率。

　　在现代光学技术的发展中，光子器件的微型化和多功能化成为了研究的热点。其中，Janus超表面（metasurface）作为一种能够实现方向不对称响应的新型结构，因其独特的光学特性而备受关注。Janus源自罗马神话中的双面神，象征着从不同方向观察时表现出不同的特征。这种方向不对称性在纳米光子学中被广泛应用，用于实现如非互易设备、双频调控等多样化功能。然而，目前的Janus超表面设计在实现方向不对称的全息成像方面仍面临诸多挑战，例如复杂的制造工艺、对空间复用或垂直堆叠的依赖、有限的偏振控制能力，以及在可见光波段中显著的欧姆损耗等问题。这些限制不仅增加了实际应用的难度，也阻碍了其在更广泛场景中的推广。

本研究提出了一种全新的单层介质Janus超表面全息结构，通过采用二氧化钛（TiO?）作为超表面的基本单元，实现了在可见光波段（532 nm）下，对来自正向和反向入射的任意偏振光进行高保真全息图像重建。该设计突破了传统Janus超表面在制造复杂性、偏振控制和光损耗方面的瓶颈，同时为实现更紧凑、多功能的光学器件提供了新的思路。通过引入Dammann光栅原理和精确的相位调控，我们不仅实现了对不同偏振状态的响应，还显著提升了图像的清晰度和均匀性，从而为全息成像技术开辟了更广阔的应用前景。

Janus超表面的核心原理在于其能够通过不同的入射方向实现不同的光学响应。在传统的Janus结构中，通常依赖于金属天线的使用，如金或镁等材料，这些天线虽然在微波波段具有良好的性能，但在可见光波段却存在较高的欧姆损耗。此外，金属天线通常只能在单一偏振状态下工作，因此需要通过空间复用或子像素编码来实现不同方向的响应，但这种方法会降低整体的效率和成像质量。为了解决这些问题，研究团队提出了一种基于单层TiO?纳米柱的Janus超表面结构，这种结构不仅能够实现方向不对称的全息成像，还具备对多种偏振状态（包括线性、圆偏振和椭圆偏振）的兼容性。

在设计过程中，研究团队利用了Jones矩阵理论来描述超表面的光学响应特性。Jones矩阵是描述偏振状态转换的重要工具，其形式由局部元原子的相位延迟和几何相位决定。对于Janus超表面而言，全局Jones矩阵由局部Jones矩阵经过旋转和相位调控构成，从而能够同时处理来自正向和反向的入射光。研究中采用的纳米柱结构能够模拟双折射线性波片的功能，通过调整其宽度和旋转角度，实现了对不同偏振状态的精确控制。为了实现对任意偏振状态的响应，研究团队引入了一个全局旋转角度β，该角度能够有效扩展原本受限于χ=π/4的偏振状态范围，从而支持更广泛的偏振控制。

为了验证这一设计的可行性，研究团队通过计算机生成全息（CGH）方法生成了两种不同类型的Janus超表面全息结构。第一种结构针对左圆偏振光（LCP）进行优化，能够在正向入射时生成“nycu”（国立阳明交通大学的缩写），而在反向入射时则生成该校的吉祥物“狐狸”。第二种结构则专门设计用于椭圆偏振光，能够在正向入射时显示“dp”（光电系的缩写），而在反向入射时则生成另一只狐狸。两种结构均采用单层TiO?纳米柱，沉积在玻璃基底上，通过精确的宽度和旋转角度调控实现了在可见光波段下的高保真成像。

在制造过程中，研究团队采用了一种精确的工艺流程，首先在玻璃基底上旋涂一层电子束光刻胶（ZEP 520A），确保其厚度达到600 nm。随后，旋涂一层薄的导电聚合物薄膜（ESPACER 300Z），并利用电子束光刻技术生成所需的图案。接着，通过原子层沉积（ALD）技术在光刻胶上沉积TiO?薄膜，其高度至少为纳米柱最大宽度的一半，以避免结构空洞的出现。最终，使用高密度等离子体反应离子刻蚀（HDPRIE）去除多余的TiO?材料，并通过Remover PG溶液去除剩余的光刻胶。这种制造方法不仅简化了工艺流程，还显著提高了结构的均匀性和稳定性。

在光学特性测试中，研究团队搭建了实验装置，使用532 nm单模激光作为入射光源，并通过偏振器和分析器控制和测量光的偏振状态。实验结果表明，所设计的Janus超表面在可见光波段下能够实现高质量的全息成像，其水平视场角（FOV）与理论预测值基本一致，约为20.84°。同时，实验结果中的图像对比度平均达到0.87，表明全息图像与背景具有良好的区分度。此外，通过引入Dammann光栅理论，研究团队有效降低了全息图像中的斑点噪声（speckle noise），从而显著提升了图像的清晰度和均匀性。

在实际应用中，所提出的Janus超表面全息结构具有显著的优势。首先，它通过单层设计实现了方向不对称的全息成像，避免了传统方法中对空间复用或垂直堆叠的依赖，从而简化了制造流程并降低了光损耗。其次，该结构能够兼容多种偏振状态，包括线性、圆偏振和椭圆偏振，为实现更灵活的光学控制提供了新的可能性。此外，该设计的高成像质量和低噪声特性，使其在增强现实中的光束合成、深度感知的收发器设计，以及激光系统中的腔模调制等领域具有广泛的应用潜力。

从更深层次来看，Janus超表面的这一突破不仅推动了全息成像技术的发展，也为未来在光子学领域的创新奠定了基础。通过结合非局部材料或矩阵傅里叶光学等方法，这些超表面有望进一步扩展其功能，实现更复杂的非互易光学特性或多重偏振控制。这将为开发更高效、更紧凑的光学器件提供新的研究方向，同时也为光子学在生物医学、通信和传感等领域的应用带来新的机遇。

综上所述，本研究提出了一种基于单层TiO?纳米柱的Janus超表面全息结构，成功实现了在可见光波段下对任意偏振光的高保真全息成像。这一设计不仅克服了传统方法中的诸多限制，还为未来在光学器件领域的创新提供了新的思路。随着制造工艺的不断进步和理论模型的进一步完善，Janus超表面有望在更广泛的领域中发挥重要作用，推动光学技术向更高效、更灵活的方向发展。