[论文解读] Dielectric Metasurfaces for Complete and Independent Control of Optical Amplitude and Phase

Adam Overvig, Sajan Shrestha+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 48被引用 475

一句话总结

本文提出了一种介电超表面平台，通过使用具有可调谐形貌双折射性和平面内旋转能力的结构双折射超原子，实现在一个或两个频率下对光学振幅和相位的完全独立控制。该方法通过同时调制振幅和相位，实现了高效率、无伪影的全息成像，无需迭代算法，从而实现高保真度的二维和三维全息成像。

ABSTRACT

Metasurfaces are optically thin metamaterials that promise complete control of the wavefront of light but are primarily used to control only the phase of light. Here, we present an approach, simple in concept and in practice, that uses meta-atoms with a varying degree of form birefringence and rotation angles to create high-efficiency dielectric metasurfaces that control both the optical amplitude and phase at one or two frequencies. This opens up applications in computer-generated holography, allowing faithful reproduction of both the phase and amplitude of a target holographic scene without the iterative algorithms required in phase-only holography. We demonstrate all-dielectric metasurface holograms with independent and complete control of the amplitude and phase at up to two optical frequencies simultaneously to generate two- and three-dimensional holographic objects. We show that phase-amplitude metasurfaces enable a few features not attainable in phase-only holography; these include creating artifact-free two-dimensional holographic images, encoding phase and amplitude profiles separately at the object plane, encoding intensity profiles at the metasurface and object planes separately, and controlling the surface textures of three-dimensional holographic objects.

研究动机与目标

• 克服传统仅相位调控超表面无法独立控制振幅和相位的局限性。
• 开发一种与CMOS兼容的全介质超表面平台，能够在一个或两个光学频率下同时且独立地控制振幅和相位。
• 展示无需迭代优化算法的高保真度、无伪影计算机生成全息成像。
• 实现新型全息功能，如在超表面和平面分别编码相位和振幅分布、在超表面和平面独立控制强度分布，以及生成具有纹理的三维全息物体。

提出的方法

• 利用结构双折射介电超原子，通过圆偏振光在相反手性之间转换效率来调控振幅。
• 通过旋转超原子的平面内取向，利用几何（Pancharatnam-Berry）相位来调控透射光的输出相位。
• 采用琼斯矩阵模型，其中透射矩阵结合了沿寻常光轴和非常光轴的振幅（A_o, A_e）和相位（ϕ_o, ϕ_e）响应。
• 设计高度为d、有效折射率为n_o、n_e的超原子，通过ϕ_o,e = k₀n_o,e d实现所需的相位偏移。
• 通过调控结构色散实现双频设计，在两个不同波长下实现振幅和相位的独立控制。
• 采用非迭代、直接合成复振幅函数的方法生成全息图，避免Gerchberg-Saxton算法的收敛问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 介电超表面是否能够在光学频率下实现对振幅和相位的独立且完全控制？
• RQ2 该双控平台是否能够实现无需迭代相位恢复算法的无伪影全息成像？
• RQ3 在实现振幅和相位独立控制后，哪些新型全息功能得以实现，例如在物体平面和超表面平面分别编码相位和振幅分布？
• RQ4 在图像保真度和效率方面，振幅-相位全息与仅相位全息相比表现如何？
• RQ5 该平台是否能够同时在两个不同光学频率下控制振幅和相位，以实现多波长全息？

主要发现

• 该超表面平台仅通过两个几何自由度——形貌双折射和平面内旋转——即实现了振幅和相位的独立控制。
• 使用振幅-相位（PA）超表面生成的全息图无振铃伪影或斑点噪声，而仅相位（PO）全息图需依赖迭代GS算法，且存在图像退化问题。
• 该方法可实现具有明显表面纹理的高保真度三维全息物体，这是仅相位全息无法实现的功能。
• 该平台允许在物体平面分别编码相位和振幅分布，并可独立控制超表面和平面的强度分布。
• 系统实现了高效率，且均方根误差极小，超表面和平面的图像质量权衡关系在理论上和实验中均得到验证。
• 该方法扩展至双波长工作模式，实现了在两个光学频率下同时控制振幅和相位，展示了可独立调谐的多色全息。