【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】空間光調(diào)制器(SLM)是實現(xiàn)三維全息顯示、自動駕駛激光雷達(dá)、增強與虛擬現(xiàn)實以及高性能激光制造等先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的核心器件。衡量SLM綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)是“時空積密度”(Spatiotemporal Product Density, STPD)，即單位面積內(nèi)可獨立調(diào)控像素數(shù)與調(diào)制速率的乘積。理論與工程分析表明，若要實現(xiàn)真正的實時三維全息顯示，STPD需達(dá)到1012 pixels/(s·cm2)量級。然而，這一指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)有商用和科研SLM的能力范圍，成為制約三維顯示技術(shù)走向?qū)嵱没暮诵钠款i。
近日，武漢光電國家研究中心熊偉教授、高輝副教授團隊聯(lián)合新加坡國立大學(xué)仇成偉教授團隊，在Nature Nanotechnology發(fā)表了題為 “Spatial Light Modulator via Optically Addressed Metasurface” 的研究論文。研究團隊提出了一種新型光尋址超表面空間光調(diào)制器，實現(xiàn)高速亞波長級波前調(diào)控，首次跨越了實時動態(tài)三維全息顯示的性能門檻。
武漢光電國家研究中心和光電信息學(xué)院為論文第一完成單位。范旭浩博士為論文第一作者，熊偉教授、高輝副教授和仇成偉教授為共同通訊作者。其他主要合作者包括華中科技大學(xué)夏金松教授、王玉西博士、焦玢璋博士、許可，新加坡國立大學(xué)周舟，以及香港中文大學(xué)陳世祈教授。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖北省創(chuàng)新群體和新加坡教育部等項目資助。
盡管過去幾十年中，基于液晶硅(LCoS)和數(shù)字微鏡(DMD)的空間光調(diào)制器不斷進(jìn)步，但這些器件受限于材料和物理機制，像素尺寸難以進(jìn)一步壓縮。現(xiàn)有商業(yè)SLM像素尺寸普遍大于3微米，遠(yuǎn)大于可見光波長，嚴(yán)重限制了STPD提升空間。近年來，超表面技術(shù)為亞波長尺度光場調(diào)控帶來了新機遇。通過精細(xì)設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)單元，超表面可以在極薄結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)精確的相位與振幅調(diào)控。然而，傳統(tǒng)“電尋址”超表面仍然面臨二維電互連復(fù)雜、像素串?dāng)_嚴(yán)重等問題，多數(shù)只能實現(xiàn)一維掃描或單參數(shù)調(diào)制，刷新速率也往往停留在毫秒量級，難以滿足實時全息應(yīng)用需求。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出光尋址超表面空間光調(diào)制器(OA-MSLM)架構(gòu)。該器件基于預(yù)離散化超表面平臺，將亞波長超構(gòu)單元預(yù)先編碼為靜態(tài)調(diào)制函數(shù)，并通過結(jié)構(gòu)化光束進(jìn)行獨立光學(xué)尋址，實現(xiàn)“以光控光”。這一設(shè)計從根本上規(guī)避了傳統(tǒng)電尋址結(jié)構(gòu)中的布線密度與串?dāng)_限制，使像素間距壓縮至756 nm，進(jìn)入可見光波長尺度。同時，器件實現(xiàn)千赫茲級動態(tài)響應(yīng)，刷新時間間隔僅為77 μs，STPD達(dá)到2.3×1012 pixels/(s·cm2) ，較以往技術(shù)提升三個數(shù)量級，首次跨越實時動態(tài)三維全息顯示的性能門檻。
在全息顯示實驗中，研究團隊利用器件對光振幅與相位的獨立調(diào)控能力，實現(xiàn)了高保真復(fù)振幅全息顯示。相比傳統(tǒng)僅調(diào)控相位的全息方法，該方案顯著抑制了散斑噪聲與干涉?zhèn)斡埃瑘D像清晰度和細(xì)節(jié)還原能力明顯提升。同時，復(fù)振幅編碼計算效率大幅提高，僅為傳統(tǒng)算法的1/50。如圖3所示，團隊進(jìn)一步實現(xiàn)了13000幀/秒的動態(tài)全息視頻顯示，并驗證了紅、綠、藍(lán)三色寬帶響應(yīng)能力，以及遠(yuǎn)場、近場和多層菲涅耳全息重構(gòu)，展現(xiàn)出高質(zhì)量、實時、可擴展的三維全息顯示潛力。
進(jìn)一步地，研究團隊展示了器件在動態(tài)光束調(diào)控方面的能力。通過對超表面進(jìn)行動態(tài)復(fù)振幅編碼，器件可實現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)二維空間光調(diào)制器的大角度光束掃描，并在偏轉(zhuǎn)過程中保持優(yōu)良的遠(yuǎn)場光束質(zhì)量，如圖4所示。依托亞波長像素結(jié)構(gòu)和微秒級響應(yīng)特性，該平臺能夠支持高速連續(xù)掃描與隨機訪問式方向切換，快速在數(shù)百個不同出射方向之間重構(gòu)預(yù)設(shè)圖案，成功演示了圖案化光束掃描軌跡。該結(jié)果表明，該器件不僅適用于高質(zhì)量全息顯示，也具備面向激光雷達(dá)、激光制造、自由空間光通信等高速動態(tài)光場操控系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。
綜上所述，該研究提出了一種基于光尋址的超表面空間光調(diào)制新架構(gòu)，實現(xiàn)了亞微米像素級動態(tài)波前調(diào)控，首次達(dá)到真實三維全息顯示所需的時空積密度。通過復(fù)振幅全息、三維聚焦和高速光束偏轉(zhuǎn)等實驗驗證，該平臺展現(xiàn)出多維光場實時操控能力，為動態(tài)波前調(diào)制提供了全新的技術(shù)路徑。未來，結(jié)合更高像素規(guī)模、緊湊光子集成及多層、多光譜超表面等技術(shù)，有望實現(xiàn)片上多維光場調(diào)控，推動沉浸式顯示、激光雷達(dá)、激光智能制造與光通信等領(lǐng)域的發(fā)展。
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