Die Holographie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das Wellenfronten des Lichts rekonstruieren und die grundlegenden Welleneigenschaften von Amplitude, Phase, Polarisation, Wellenvektor und Frequenz kombinieren kann. Intelligente Multiplexing-Techniken (Multiple-Signal-Integration) in Verbindung mit Meta-Oberflächen-Designs sind derzeit sehr gefragt, um die Fähigkeit zur Entwicklung von Informationsspeichersystemen zu erforschen und die Sicherheit der optischen Verschlüsselung mit solchen Meta-Oberflächen-Hologrammen zu erhöhen.

Die Holographie auf Basis von Meta-Oberflächen ist ein vielversprechender Kandidat für Anwendungen in optischen Displays/Speichern mit enormer Informationstragfähigkeit bei gleichzeitig großem Sichtfeld im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Um Meta-Oberflächen-Hologramme praktisch zu realisieren, sollten holographische Profile auf ultradünnen Nanostrukturen kodiert werden, die starke Licht-Materie-Wechselwirkungen (plasmonale Wechselwirkungen) in ultrakurzer Entfernung aufweisen. Meta-Oberflächen können Licht- und Schallwellen in einer Weise steuern, die in der Natur nicht zu sehen ist, um eine flexible und kompakte Plattform zu bieten und eine Vielzahl von vektoriellen Hologrammen mit hochdimensionalen Informationen zu realisieren, die die Grenzen von Flüssigkristallen oder optischen Photoresisten überschreiten.

Unter den bestehenden Techniken, die eingesetzt werden, um sehr erwünschte optische Eigenschaften zu erreichen, ist Polarisationsmultiplexing (Multiple-Signal-Integration) eine attraktive Methode. Das starke Übersprechen, das mit solchen Plattformen verbunden ist, kann jedoch mit doppelbrechenden Meta-Oberflächen (zweidimensionale Oberflächen mit zwei verschiedenen Brechungsindizes) verhindert werden, die aus einem einzigen Meta-Atom pro Einheitszelle bestehen und ein optimiertes Polarisationsmultiplexing ermöglichen.

Dennoch muss noch die volle Kapazität aller Polarisationskanäle untersucht werden, um die Informationsspeicherkapazität in Meta-Oberflächen-Hologrammen und in holographischen optischen Geräten zu verbessern. In einer aktuellen Studie zeigten Ruizhe Zhao und seine Mitarbeiter eine neue Methode zur Realisierung von mehrkanaliger vektorieller Holographie für dynamische Anzeige- und Hochsicherheitsanwendungen. In der Studie wurden doppelbrechende Meta-Oberflächen untersucht, um Polarisationskanäle zu kontrollieren und sehr unterschiedliche Informationen durch Rotation zu verarbeiten. Die rekonstruierten vektoriellen Bilder können von einer Form in eine andere mit vernachlässigbarem Übersprechen gewechselt werden, indem eine Kombination von Eingangs-/Ausgangspolarisationszuständen ausgewählt wird. Die Ergebnisse sind nun in Light veröffentlicht: Wissenschaft & Anwendungen.

Die Wissenschaftler leiteten zunächst einen Multiplexalgorithmus zur Unterstützung des dynamischen vektoriellen holographischen Anzeige- und Verschlüsselungsprozesses ab. Durch die Verwendung der richtigen Polarisationsschlüssel konnte der Empfänger die genauen gelieferten Informationen erhalten. Durch die Erhöhung der Komplexität solcher Bilder wurde neben der detaillierten Analyse der rekonstruierten vektoriellen Bildeigenschaften eine noch höhere Flexibilität erreicht. Da das Gerät mit Meta-Oberflächen in der Praxis kompakt ist, kann es problemlos mit kodierten Informationen transportiert werden.

Um das Design von Interesse zu strukturieren, haben Zhao et al. mehrere dielektrische Silizium-Metaschnittstellen auf einem Glassubstrat mittels Plasmaätzen und anschließender Elektronenstrahl-Lithographie entwickelt. Die Meta-Oberflächen bestanden aus 1000 x 1000 Nanofinnen, d.h. Nanostrukturen mit der Fähigkeit, den Wärmeübergang durch Oberflächenverbesserung und Flüssig-Feststoff-Wechselwirkungen zu verstärken. Die Forscher untersuchten zwei Systeme mit mehreren Polarisationskanälen; mit oder ohne Rotation unter Verwendung der doppelbrechenden dielektrischen Meta-Oberflächen, um die Hologramme zu realisieren.

Die doppelbrechenden dielektrischen Meta-Oberflächen wurden mit Silizium-Nanofinnen auf einem Glassubstrat entworfen. Um die gewünschten Phasenverschiebungen zu erreichen, wurde die 2D-Parameteroptimierung mit einer rigorosen RCWA-Methode (gekoppelte Wellenanalyse) durchgeführt. Das semi-analytische Verfahren RCWA wird typischerweise in der Computational Electromagnetics eingesetzt, um die Streuung an periodischen dielektrischen Strukturen zu lösen. Die Länge L und Breite W der Nanofinne lagen im Bereich von 80 bis 280 nm, die Höhe bei 600 nm und die Periodengröße P bei 400 nm. Die Werte wurden sorgfältig ausgewählt, um sicherzustellen, dass die Phase des Ausgangslichts unerwünschte Beugungsordnungen eliminiert. Für die Simulation wurde die Nanofinne auf ein Glassubstrat aufgebracht und einer festen Wellenlänge des einfallenden Lichts bei 800 nm ausgesetzt. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Amplitude der Transmission für die meisten Nanofinnen mit unterschiedlichen Querschnitten einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent erreichte. Die Wissenschaftler bestimmten die Orientierungswinkel der Nanofinnen unter Verwendung von Gleichungen, die in der Studie abgeleitet wurden, um das Multichannel-Polarisationsmultiplexing experimentell zu demonstrieren.

Für die optische Charakterisierung der Meta-Oberflächen-Hologramme verwendeten Zhao et al. einen Versuchsaufbau. Das Vergrößerungsverhältnis und die numerische Apertur der Objektivlinse wurden sorgfältig ausgewählt, um das gesamte Beugungslicht aus der Probe zu sammeln und holographische Bilder in der Fourierebene zu rekonstruieren. Die Wissenschaftler benutzten ein zweites Objektiv, um die Fourierebene mit einer CCD-Kamera aufzunehmen. Sie beobachteten auch getrennt zwei rasterelektronenmikroskopische Bilder der Proben mit oder ohne Drehung, um die technische Oberfläche zu charakterisieren.

Als Proof-of-Prinzip konstruierten Zhao et al. unter Verwendung der Meta-Oberflächen holografische Bilder eines Cartoon-Tigers und eines Schneemanns, die bei Beleuchtung durch x-polarisiertes Licht mit hoher Genauigkeit und Auflösung auftraten. Wenn das einfallende Licht auf y-Polarisation umgeschaltet wurde, verwandelten sich die rekonstruierten Bilder in eine Teekanne und eine Teetasse. In diesem Experiment standen im Setup nur zwei Polarisationskanäle zur Verfügung, wobei beide Paare der holographischen Bilder rekonstruiert wurden und durch Drehen des Polarisators hinter der Probe gleichzeitig verschwinden. Die experimentellen Ergebnisse waren in Übereinstimmung mit der Simulation, um das grundlegende Konstruktionsprinzip der Studie zu bestätigen. Die Nettobeugungseffizienz des Hologramms wurde definiert als das Verhältnis der Intensität des einzelnen rekonstruierten Bildes zur Leistung des einfallenden Lichts.

Die Wissenschaftler waren in der Lage, komplexere Multiplexing-Funktionalitäten mit 12 Kanälen nach den gleichen Designprinzipien zu entwerfen und zu konstruieren. Die vektoriellen Bilder wurden als holographische Rekonstruktionen betrachtet, wobei die Ein-/Ausgangs-Polarisationskombinationen wie vorgeschlagen entwickelt wurden. Die Technik kann auch verwendet werden, um verschiedene Bilder an der gleichen räumlichen Position zu verschlüsseln. Bei der Verschlüsselung kann eine solche Überlagerung eine andere Bedeutung für die Rekonstruktion haben. Als Beispiel wählten die Wissenschaftler das Bild einer Matrize mit sechs repräsentativen Oberflächen und kodierten durch die Verwendung verschiedener Kombinationen von Eingangs-/Ausgangspolarisationszuständen bis zu sechs Bilder zur Betrachtung.

Der in der Studie abgeleitete Multiplexalgorithmus unterstützte die dynamische vektorielle holographische Darstellung und die Verschlüsselung von Bildern, die auf doppelbrechenden dielektrischen Meta-Oberflächen kodiert sind. Durch die Verwendung der richtigen Polarisationsschlüssel könnte ein Empfänger die genauen gelieferten Informationen erhalten. Eine höhere Flexibilität könnte erreicht werden, indem die Komplexität des Bildes erhöht und das Medium der Verschlüsselung auf Titandioxid (TiO2) oder Siliziumnitrid (SiN) umgestellt wird. Die richtige Polarisationskombination sicherte die Informationen für eine erhöhte Komplexität bei der Entschlüsselung.

Das Mehrkanal-Hologramm wies eine relativ große Arbeitsbandbreite auf, da die rekonstruierten Bilder abseits der geplanten Wellenlänge von 800 nm beobachtet werden konnten. Die Studie etablierte eine Design- und Ingenieurtechnik, die doppelbrechende Eigenschaften von einfachen Nanofinnen, die als Bausteine verwendet werden, mit einer extra-designfreien Rotationsmatrix und intelligenten Multiplexalgorithmen kombiniert. Die Ergebnisse ermöglichten hochdimensionale mehrkanalige Polarisationsmultiplex-Hologramme mit bis zu 12 Polarisationskanälen. Auf diese Weise können eine effiziente lichtbasierte Verschlüsselung und ein integriertes holografisches Mehrkanal-Display Deep Ls den Weg für eine fortschrittliche Kommunikation in Hochsicherheitsanwendungen ebnen.

Mehr Informationen:
Ruizhe Zhao et al. Mehrkanalige vektorielle holographische Anzeige und Verschlüsselung, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2018). DOI: 10.1038/s41377-018-0091-0

Guoxing Zheng et al. Metasurface Hologramme erreichen 80% Effizienz, Nature Nanotechnology (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.2

Lingling Huang et al. Dreidimensionale optische Holographie mit einer plasmonischen Meta-Oberfläche, Nature Communications (2013). DOI: 10.1038/ncomms3808