p Físicos e cientistas de materiais desenvolveram um dispositivo óptico compacto contendo metassuperfícies empilhadas verticalmente que podem gerar texto microscópico e hologramas coloridos para armazenamento de dados criptografados e telas coloridas. Yueqiang Hu e uma equipe de pesquisa em Design e Fabricação Avançada para Carrocerias de Veículos na Faculdade de Engenharia Mecânica e Veicular na China implementaram um dispositivo metassuperfície integrado 3-D para facilitar a miniaturização do dispositivo óptico. Usando metassuperfícies com características ultrafinas e compactas, a equipe de pesquisa projetou elementos ópticos projetando a frente de onda da luz na escala de sub comprimento de onda. As metassuperfícies possuíam grande potencial para integrar múltiplas funções aos sistemas optoeletrônicos miniaturizados. O trabalho agora está publicado em Light:Ciência e Aplicações . p Uma vez que a pesquisa existente sobre multiplexação no plano 2-D continua a incorporar totalmente os recursos de metassuperfícies para multitarefa, No presente trabalho, a equipe demonstrou um dispositivo de metassuperfície integrado 3-D. Por esta, eles empilharam uma metassuperfície de holograma em um microarray de filtro de cor baseado em cavidade Fabry-Pérot (FP) monolítico para alcançar cross-talk simultâneo, funções de microimpressão e holografia em cores independentes de polarização e altamente eficientes. A função dupla do dispositivo delineou um novo esquema para registro de dados, segurança, telas coloridas de criptografia e aplicativos de processamento de informações. O trabalho na integração 3-D pode ser estendido para estabelecer sistemas ópticos multitarefa planos que incluem uma variedade de camadas de metassuperfície funcionais.

p Metasurfaces abre uma nova direção em optoeletrônica, permitindo que os pesquisadores projetem elementos ópticos moldando a frente de onda das ondas eletromagnéticas em relação ao tamanho, forma e arranjo das estruturas no comprimento de onda. Os físicos desenvolveram uma variedade de dispositivos baseados em metassuperfície, incluindo lentes, conversores de polarização, hologramas e geradores de momento angular orbital (OAM). Eles demonstraram o desempenho de dispositivos baseados em metassuperfície para superar até mesmo os elementos refrativos convencionais para construir dispositivos ópticos compactos com múltiplas funções. Esses dispositivos são, Contudo, retido por deficiências devido a uma eficiência reduzida de nanoestruturas plasmônicas, requisitos de polarização, grande diafonia e complexidade da leitura para dispositivos ópticos de multi comprimento de onda e banda larga. As equipes de pesquisa podem, portanto, empilhar dispositivos 3D baseados em metassuperfície com diferentes funções na direção vertical para combinar as vantagens de cada dispositivo. Ao mesmo tempo que reduz as dificuldades de integração e aumenta a liberdade de design para gerar novos recursos e melhorar a inclusão de dispositivos ópticos para gerar compactos, dispositivos multifuncionais.

p No presente trabalho, Hu et al. Metassuperfícies combinadas 3-D para formar holografia colorida, empilhando um micro-array de filtro de cor monolítico e metassuperfície de holograma. O dispositivo resolveu os problemas de gargalo da holografia colorida, como grande diafonia e pequeno campo de visão (FOV). Eles obtiveram uma imagem de microimpressão colorida iluminando o dispositivo com luz branca. Os pesquisadores obtiveram uma imagem de holograma totalmente colorida projetando no campo distante sob o vermelho (R), iluminação a laser verde (G) e azul (B) (RBG), enquanto se mistura com três imagens de holograma em tons de cinza independentes. O novo dispositivo integrado 3-D mostrou baixa diafonia, alta eficiência e um processo de fabricação simples. Usando as metasuperfícies finas e planas, a equipe construiu um dispositivo integrado que superou os dispositivos ópticos tradicionais. O trabalho representa um progresso substancial na exploração de metassuperfícies integradas 3-D, como polarizadores e meta-lentes para formar multifuncionais, sistemas ópticos ultrafinos.

p A equipe de pesquisa desenvolveu microescala, estruturas graduais contendo uma matriz de ressonadores de cavidade de metal / dielétrico / metal Fabry-Pérot (MDMFP) para atuar como filtros de cor com espessuras dielétricas variadas. Eles provaram que os filtros de cores MDMFP têm alta eficiência de transmissão, ampla gama de cores (gama de cores) e estreitas larguras de linha espectrais em comparação com filtros de cores plasmônicos. Eles compuseram a metassuperfície do holograma de nanoestruturas dielétricas isotrópicas para manipular a fase de propagação da luz na escala de sub comprimento de onda e gerar alta qualidade, imagens de holograma de campo distante.

p Ao iluminar o dispositivo com lasers RGB, Hu et al. gerou três independentes, Imagens de holograma em escala de cinza monocromáticas de campo distante para misturar cuidadosamente os três canais e obter uma imagem de holograma em cores. Eles projetaram a metassuperfície para formar uma projeção no comprimento de onda desejado e codificar informações holográficas em filtros de cores especificamente organizados, incluindo informações de microimpressão colorida. A configuração experimental tinha várias vantagens e o dispositivo poderia ser facilmente fabricado usando litografia de feixe de elétrons (EBL) comum e processos de evaporação de metal.

p Durante o processo de design e fabricação dos dispositivos 3-D, Hu et al. nanofuros dielétricos projetados em metassuperfícies de holograma. Ao alterar o tamanho dos nanoholes, os cientistas obtiveram diferentes respostas de fase para moldar a frente de onda desejada para o holograma. A escala de fase apenas reduziu a eficiência do holograma sem afetar suas informações. A equipe de pesquisa usou um material de (poli) metacrilato de metila (PMMA) com altura de 400 nm, embora estruturas e materiais mais elevados com um índice de refração maior possam ser aplicados para alcançar maior eficiência de difração.

p Para a configuração básica do filtro de cores, Hu et al. usaram uma estrutura de cavidade de ressonância de prata (Ag) / hidrogênio silsequioxano (HSQ) / Ag em um substrato de quartzo, onde as camadas de prata agiam como filmes semi-reflexivos. A equipe de pesquisa calculou a influência da espessura do filme de prata nos comprimentos de onda RGB usados ​​nos experimentos para mostrar crosstalk suprimida devido ao aumento da espessura do filme de prata - mas com eficiência de transmissão reduzida. Quando o filme de prata era apenas mais espesso que 30 nm, a redução de diafonia foi insignificante. Hu et al. obteve uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) em cores falsas do dispositivo de metassuperfície integrado 3-D para verificar sua estrutura. Eles compararam os espectros de transmissão experimental para o canal RGB com o cálculo teórico para mostrar os resultados bem concordantes.

p Para alcançar funções duplas de microimpressão e holografia, os cientistas desenvolveram um algoritmo Gerchberg-Saxton (GS) modificado para codificar dois tipos de informações independentes em uma microimpressão e um holograma. A equipe combinou cada pixel da imagem colorida com a cor mais próxima na paleta, para formar componentes multicoloridos. Eles selecionaram filtros de cores adequados para os canais RGB com pequeno crosstalk entre si para, em última análise, alcançar R separados, G e B, imagens de holograma em tons de cinza. Eles então fundiram os três componentes de distribuição de fase para formar a fase final do holograma. Para verificar o conceito, eles construíram uma metassuperfície integrada 3-D com uma microimpressão colorida tricromática da holografia de um homem correndo. Hu et al. comparou a simulação e o resultado experimental para mostrar que o dispositivo recuperou bem as informações da imagem projetada. O conceito de microimpressão e holograma multiplexado por comprimento de onda pode ser usado para criptografar a fim de aumentar a segurança da informação. Os cientistas podem usar diferentes combinações de canais de laser para criar uma imagem colorida, equilibrando as potências de entrada do RGB.

p Com base na função dupla da microimpressão e do meta-holograma colorido, os cientistas desenvolveram dois dispositivos de criptografia. Eles compararam os resultados simulados e experimentais das microimpressões tricromáticas do primeiro dispositivo, que incluía a equação massa-energia proposta por Albert Einstein. A microimpressão de 50 x 50 pixels incluía as informações principais em vermelho e o fundo em verde e azul. A equipe de pesquisa então projetou um meta-holograma colorido projetado em paralelo à microimpressão e capturou a imagem do holograma usando iluminação a laser RGB. Para a imagem do holograma, eles usaram um retrato tricromático de Albert Einstein, que combinava as imagens binárias RGB. De forma similar, Hu et al. desenvolveu uma microimpressão das equações de Maxwell e um retrato holográfico de James Clerk Maxwell.

p A equipe de pesquisa usou diversas cavidades MDMFP com várias espessuras dielétricas dentro do dispositivo metassuperficial integrado para realizar uma microimpressão colorida de uma imagem arbitrária. Adicionalmente, eles obtiveram um holograma totalmente colorido combinando as imagens monocromáticas em tons de cinza dos canais RGB. Por exemplo, quando eles codificaram a metassuperfície com uma imagem colorida contendo informações em tons de cinza de uma "pintura chinesa de um lótus, "eles puderam demonstrar a holografia colorida de um lótus rosa com um núcleo de flor amarelo, folha verde escura, água escura e libélula vermelha. A equipe pode ajustar a potência dos três lasers no experimento para obter o resultado mais próximo da imagem original. Devido ao pequeno crosstalk dos diferentes canais, os cientistas conseguiram recuperar a maioria dos detalhes da pintura combinando os três componentes monocromáticos.

p Desta maneira, Yueqiang Hu e seus colegas propuseram e demonstraram um conceito de metassuperfície integrado 3-D para realizar holografia colorida ao empilhar verticalmente um microarray de filtro de cor e uma metassuperfície de holograma nanoestruturada. Antes da integração, o dispositivo mostrou funções duplas para criptografia e armazenamento. Os pesquisadores obtiveram microimpressões coloridas miniaturizadas sob iluminação de luz branca e hologramas coloridos com iluminação a laser RGB, com baixa diafonia e alta eficiência em comparação com as técnicas existentes para obter holografia colorida. O trabalho fornece excelentes exemplos de uso de metassuperfícies em dispositivos optoeletrônicos multifuncionais on-chip para miniaturizar sistemas ópticos. p © 2019 Science X Network