據(jù)悉，這項工作擴展了軟層次上層結構的構造，為智能全息提供了一個令人滿意的開放式方案，激發(fā)了先進的顯示、安全和通信。

摘要

作為一種公認的光學數(shù)據(jù)編碼和提取技術，全息術在當今信息的小型化、多功能性和可調諧性方面面臨著日益增長的追求。盡管在元全息圖方面取得了令人矚目的成就，但同時實現(xiàn)動態(tài)可調諧性和高維多路復用仍然至關重要，這成為這一新興前沿領域的一個瓶頸。本文提出了一種創(chuàng)新的解決方案，將光在手性液晶中的有限穿透深度與其固有的刺激響應特性相結合。基于光活性手性摻雜劑和非對稱光圖案化邊界約束自組織，同時制作了光激活光譜可調諧、偏振和方向相關全息圖。作為信息技術的一個有希望的例子，我們展示了一種加密的信號光，其中波長、傳播方向、光的螺旋度和反應持續(xù)時間作為信息解密的自定義密鑰。這項工作擴展了軟層次上層結構的構造，為智能全息提供了一個令人滿意的開放式方案，激發(fā)了先進的顯示、安全和通信。

1介紹

有效記錄、多路復用、加密和讀出大量數(shù)據(jù)是現(xiàn)代信息社會的先決條件。起源于上個世紀的全息術已經(jīng)成為編碼和重建某些物體的整個光學信息的一種重要技術。它可以為人類的視覺感知提供生動的3D觀察，并在3D顯示、信息技術甚至娛樂領域激發(fā)了非凡的應用。然而，傳統(tǒng)的全息元件依賴于沿傳播方向的相位積累，導致體積大、分辨率低和嚴重的波長依賴性。這僅僅是利用了全息技術所能提供的機會的一瞥。為了滿足光子集成的趨勢，具有超緊湊體積和特殊功能的超表面近年來成為一個熱門話題。為了釋放信息處理的容量并加強信息處理的安全性，人們發(fā)明了多種智能全息復用方案，包括波長、偏振、軌道角動量、和非線性復用。

方法和消色差相移示意圖。（A）元全息圖離軸照明方法示意圖。（B）一幅花卉RGB圖像的實驗結果。（C）等離子體納米線天線的結構。（D）從400 nm到750 nm波長，具有不同μ（單位弧度）的天線的相移性能的仿真結果。模擬設置：金屬材質為Au；金膜厚度為120納米；周期∧=200 nm；長度l=140 nm；寬度w=60 nm。

盡管取得了這些令人印象深刻的成就，但仍存在一些具有挑戰(zhàn)性的問題，特別是在同時實現(xiàn)動態(tài)可調性和混合復用方面。一方面，擴展多自由度迫在眉睫。制作定向全息圖仍然很難。另一方面，全息圖的動態(tài)控制是關鍵，目前備受追捧。很少有人致力于使用可拉伸基板、電子印刷電路板、相變材料、和受控化學反應。嚴格的要求和高度復雜的實現(xiàn)使得同時實現(xiàn)主動可調和高維全息復用非常困難，尤其是在可見光區(qū)域。在可重構光學器件方面，液晶（LC）已被確定為最具吸引力的平臺之一。特別是膽甾相液晶（CLC）由于其自組裝手性光子晶體和圓極化選擇性光子帶隙（PBG）而引起了眾多關注。最近，發(fā)現(xiàn)平面CLC以多色和偏振確定的方式調制反射幾何相位。如果進一步利用CLC中有限的光穿透深度并引入其固有的刺激響應特性，則可以預期同時編碼雙向功能性和動態(tài)可調性的混合多路復用全息圖。

在這項工作中，我們提出了基于手性可逆液晶超結構的可見光區(qū)光激活混合復用全息術。通過引入具有不對稱光圖案化邊界的光敏手性分子，可以在可調諧寬帶上高效地重建高質量的傳播方向相關圖像。光觸發(fā)的中心對稱全息圖像（如笑臉或哭臉）之間的可逆切換也被證實對照明圓偏振具有高靈敏度。這種新方法將多個多路復用方案集成到一個設備中，促進了先進的全息顯示、高容量信息存儲和高安全性加密。作為信息技術的一個很有前景的例子，我們進一步用可變獨立編碼通道演示了加密信號光。

2結果和討論

2.1設計原則

平面CLCs激發(fā)的圓極化選擇性PBG顯示在nop和nep之間，其中p分別是螺距，no/ne是普通/特殊折射率。與CLC上部結構具有相同手性的圓偏振光被完全反射，而正交的圓偏振光被透射�？紤]到非均勻排列，反射光將被賦予一個額外的幾何相位，該相位是CLCs局部入射面方向角的兩倍，并顯示手性決定符號�？梢詫⒉粚ΨQ方向印在足夠厚的CLC的初始和終端控制器上，從而實現(xiàn)與傳播方向相關的光束整形。在這里，為了實現(xiàn)主動多路復用全息圖，我們進一步利用這種軟物質的多功能刺激響應性來利用這些奇異的光學特性。CLC的螺距甚至慣用手對電場、熱處理和光照都很敏感。

圖1示意性地說明了所提出的動態(tài)和混合復用全息術。一開始，用不對稱排列編碼的左手CLC反射左圓偏振（LCP），并在相反方向照明下重建雙向全息圖像（如哭臉和“2018”）。而右圓極化（RCP）是完全傳輸?shù)�，由于傳輸過程中沒有幾何相位調制，因此不會生成圖像。通過紫外光刺激，原始手性超結構逐漸反轉為右手，伴隨著連續(xù)可調的PBG。因此，具有期望工作頻帶的RCP被反射，并且?guī)缀蜗辔徽{制的符號從+翻轉到−. 在這種情況下，分別生成中心對稱圖像（例如，笑臉和“8102”）。通過抽運紫光或綠光，這種光學尋址全息圖是可逆的。該設計將多種復用方案集成到單個全息圖中，包括傳播方向、螺旋度、入射光波長和外部刺激時間（即反應持續(xù)時間）。

圖1動態(tài)和混合復用全息圖。對紫光和綠光驅動的手性可逆液晶超結構的反手性分別進行了標記，得到了中心對稱的重構圖像。紅色/黃色箭頭表示具有不同波長的入射光和反射光。與上層和基板相鄰的LC控制器以橙色突出顯示。LCP，左圓極化；RCP，右圓極化。

2.2光激活混合全息復用

通過將靜態(tài)摻雜劑R5011和手性相反的偶氮苯手性分子ChAD-3C-S摻雜到向列相主體中，可以獲得所需的手性可逆CLC超結構。由于缺乏光異構化基團，R5011的吸收光譜在紫外光照射下沒有明顯變化。而ChAD-3C-S對紫光和綠光敏感，這可以通過其吸收光譜進行驗證。在泵浦光照射下，CLC上部結構的螺距不斷調整，并且由于ChAD-3C-S的光異構化反應，慣用手可逆反轉，如圖2a所示，并通過相應的可變透射光譜進行驗證。作為第一個示例，在CLC全息圖的正面和背面分別編碼了兩幅帶有哭臉和阿拉伯數(shù)字“2018”的圖像。這兩種相位剖面都是使用經(jīng)典的Gerchberg–Saxton（GS）算法計算的，該算法廣泛應用于純相位全息術。為了避免零階對重建圖像的影響，采用了離軸設計，從而大大提高了信噪比。

圖2動態(tài)CLC全息圖的組成和圖像。a） ChAD-3C-S和R5011混合物的光定向手性反轉的機理說明。插圖：ChAD-3C-S光異構化反應示意圖。b，c）理論導向分布和b，d）超高速和c，e）底物的d，e）反射圖像。從黑色到白色的顏色變化表明方向在0°到180°之間變化。先后標記了紫外光的輻照時間和實時手性。所有比例尺均為100μm。

圖3a說明了表征CLC全息圖性能的實驗裝置。為了研究其多色性和偏振選擇性行為，采用了超連續(xù)譜激光器、聲光可調諧濾波器、偏振器和四分之一波片分別控制入射波長和偏振態(tài)。反射的衍射圖像被投影到遠場的屏幕上，并由可見光攝像頭捕捉。圖3b，c顯示了在相反照明方向下的全息重建。正如所預測的那樣，只有達到一定穿透深度的入口手征超結構才能影響反射光，并且計數(shù)器表面幾乎是不可見的。在紫光刺激之前，LCP的發(fā)病率上生成了清晰的高質量圖像（即哭臉和“2018”），沒有任何重疊或扭曲，與理論計算很好地匹配。轉換效率（定義為重建圖像與全反射的強度比）高達66%，這得益于純相位調制。而對于RCP，只能觀察到一個薄弱點，這主要歸因于菲涅耳反射。

在CLC超結構的手性反轉之后，RCP被反射并經(jīng)歷共軛相位剖面，從而形成具有高保真度的對稱分布的離軸圖像，即笑臉和“8102”。中心對稱點正是零級反射光的位置。隨著紫外光的照射，可用光譜帶從近紅外區(qū)向綠色區(qū)移動。應該提到的是，圖像大小隨成像距離和調制波長線性增加。對于線偏振入射光，與CLC具有相同手性的圓偏振分量被反射并形成全息圖像，而相反的圓偏振分量透射并形成亮點。

圖3動態(tài)CLC全息圖的光學特性。a）光學設置。聲光可調諧濾波器；QWP，四分之一波片；BS，非極化分束器。b、 c）在b）前照和c）后照條件下，不同紫外光照射時間下的反射衍射圖像。依次標記入射光的波長和偏振狀態(tài)，順時針/逆時針指示RCP/LCP。

2.3光信息加密

光密碼技術由于其固有的將眾多獨立的編碼通道結合在一起從而提高安全性的能力，已成為信息安全和反盜版技術中最重要的方法之一。在這里，以光折變方式實現(xiàn)高維全息復用必將促進先進的光學信息處理和加密。作為原理驗證應用，圖4精心設計并演示了加密信號燈。傳統(tǒng)信號燈的四個方向信息（圖4a）都加密到一個CLC設備（圖4b）中，并發(fā)送到多個接收器。收到后，可以根據(jù)自定義密鑰對其解密并讀取不同的信號，這些密鑰由關于輻照時間、波長、螺旋度和傳播方向的特定信息組成。

如圖4c-f所示，這樣一個相同的樣本可以被提取到不同的全息圖像中，也就是說，用相應的鍵被破譯成多條消息。例如，紫色2 s、650 nm、LCP和前照燈的鍵2顯示了一個紅色向右箭頭（圖4d），表示“請勿右轉！”。鍵4會出現(xiàn)一個綠色向左箭頭（圖4f），表示“向左走！”。此外，許多其他具有復雜信息的圖像，包括莫爾斯電碼和字母，都可以進行加密和解密，為信息存儲和處理提供了一種高密度、高安全性的方法。

圖4加密信號燈。a）傳統(tǒng)信號燈示意圖。b） CLC密文超速率和基底上的期望導子分布及其理論重構。從黑色到白色的顏色變化表明方向在0°到180°之間變化。c–f）不同的自定義密鑰和各自解密的光學信息，在每個圖像和反射衍射圖像中標記實時手性和圓偏振狀態(tài)。所有比例尺均為100μm。

通過采用高分辨率光圖案化系統(tǒng)和優(yōu)化的數(shù)值算法，可以提高轉換效率和伴隨純相位全息圖的散斑噪聲。與其他刺激相比，由于無線操作方便、無創(chuàng)性和高遠程分辨率的優(yōu)勢，光控制通常更可取。在強光照射下，這些全息圖的響應時間可以達到二級。這滿足了潛在應用的概念驗證要求，但由于偶氮手性分子的整個螺旋結構必須逐漸展開，因此很難得到顯著改善。其他刺激響應材料，如電調諧CLC，是進一步加速某些實際應用的開關過程的有力候選材料。通過進一步引入具有弱熱弛豫和降解的手性摻雜劑，并優(yōu)化封裝，可以顯著延長穩(wěn)定性和重復性。也可以采用其他手性光子結構。

多像元全息圖。（A至C）RGB圖像圖案的花全息圖的模擬結果。（D至F）分別對應于紅色、綠色和藍色圖像圖案的實驗結果。（G到I）中國地圖RGB全息圖，由花圖像的同一全息圖亞面以不同的光入射角再現(xiàn)。

3結論

總之，我們展示了一種通過光驅動手性可逆液晶超結構實現(xiàn)動態(tài)和混合復用全息術的新方案。非對稱邊界約束下的快速自組織與內在外部刺激響應的協(xié)同作用，將全息工程提升到了前所未有的水平。產(chǎn)生了光譜可調諧、螺旋度選擇性和雙向可見光全息圖，具有質量高、效率高和可逆性好的優(yōu)點。作為原理驗證應用，提出了一種加密信號燈，可以將其解密為定制的方向消息。這項工作涉及與當前靜態(tài)元全息相關的幾個關鍵問題，可能是在單個全息圖中同時實現(xiàn)動態(tài)和高維復用的一個令人滿意的解決方案。這種新穎的開放式策略是向前邁出的重要一步，可能會激發(fā)全息顯示、高容量和高安全信息技術的多方面應用。

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