近日，南方科技大學材料科學與工程系教授李貴新課題組在基于超構(gòu)表面的非線性光學矢量全息成像領域取得重要進展。在該研究中，超構(gòu)表面由在近紅外波段存在等離激元共振效應并且具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的金超構(gòu)單元組成。根據(jù)非線性光學幾何相位原理，在線偏振飛秒激光泵浦下，超構(gòu)表面上產(chǎn)生的左旋、右旋倍頻光的振幅和相位可被同時調(diào)控。結(jié)合計算全息和逆向設計方法，可產(chǎn)生具有任意偏振分布的倍頻光學全息圖像。相關成果以“Nonlinear vectorial holography with quad-atom metasurfaces”為題發(fā)表于《美國國家科學院院刊》PNAS上。

自從諾貝爾物理學獎獲得者Dennis Gabor提出光全息術的概念以來，全息技術在先進顯微成像、數(shù)據(jù)存儲、顯示、光鑷、光通信、量子科學等諸多領域已取得了廣泛應用。在過去幾十年中，矢量偏振全息成像始終吸引著科學家們的注意力。人們基于偶氮苯、鹵化銀材料、液晶聚合物等各向異性光學材料，發(fā)展了偏振敏感的光全息器件。然而，這類方法通常受光的工作波長的限制，且一般只利用正交偏振光重建兩幅圖像。光學超構(gòu)表面的出現(xiàn)為矢量偏振全息技術的發(fā)展帶來了新的契機。光學超構(gòu)表面是一類由亞波長尺寸的金屬或介質(zhì)超構(gòu)單元組成的平面光學器件，已被廣泛用于調(diào)控光的偏振、相位、振幅等自由度。與傳統(tǒng)的光敏各向異性材料相比，其工作波段可以覆蓋紫外、可見、紅外、太赫茲等波段。這些特性使得光學超構(gòu)表面在矢量全息成像應用中具有明顯的優(yōu)勢。人們通過將幾何相位與共振相位、拓撲相位相結(jié)合，實現(xiàn)了高效率正交圓偏振編碼的全息成像。此外，人們基于偏振編碼的超構(gòu)表面展示了多路輸入輸出光學全息成像的能力。近來，科學家們報道了基于多原子超構(gòu)分子和瓊斯矩陣全息術的光學超構(gòu)表面，在單束線偏振光照射的情況下，實現(xiàn)了任意偏振分布的光學矢量全息成像。

在非線性光學領域，根據(jù)非線性光學幾何相位原理，可實現(xiàn)對具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的等離激元超構(gòu)單元上倍頻光的相位的連續(xù)調(diào)控。我們此前發(fā)展了同時在實空間與傅里葉空間對超構(gòu)表面上產(chǎn)生的倍頻光進行波前調(diào)控的方法，并實現(xiàn)了基于非線性光學超構(gòu)表面的圖像存儲與全息成像功能。其主要原理是：通過將兩個具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的超構(gòu)單元組成“雙原子”超構(gòu)單元，實現(xiàn)了對倍頻光的相位、偏振和振幅的同時調(diào)控。 在非線性光學全息成像研究中，實現(xiàn)對光的強度和偏振的空間分布實現(xiàn)任意調(diào)控具有很高的難度。（來源：南方科大）