李仲阳课题组在超构表面光芯片实现AR全息

近日，武汉大学电子信息学院李仲阳教授课题组（NanophotonicsEmergingApplicationLaboratory,NEAL）在LaserPhotonicsReviews、NanoLetters、Optica及AdvancedOpticalMaterials上发表了关于超构表面光芯片实现AR全息显示的系列研究成果，以上成果武汉大学均为第一署名单位。

图1.相关成果分别入选为LaserPhotonicsReviews和AdvancedOpticalMaterials封面文章

“AugmentedRealityEnabledbyOn-ChipMeta-HolographyMultiplexing”（《基于片上超构全息复用实现AR显示》）围绕纳米光子学研究的关键方向“片上超构光学的AR全息显示”展开研究，发表在LaserPhotonicsReviews并入选刊内封面论文。如图1所示，该研究通过波导集成的超构表面光芯片，可以独立地操纵片上导波和自由空间光，以实现具有独立编码自由度的三通道全息复用，并最终展示了一种多路复用并无零级衍射的片上超构全息的新型AR显示技术。该论文的第一作者为电子信息学院硕博连读生时阳阳与博士生万成伟，通讯作者为李仲阳，论文共同作者还包括武汉大学郑国兴教授与香港大学张霜教授。

图2.片上与自由空间多路复用全息及AR全息投影

如图2所示，该研究通过利用光波导顶部纳米结构的空间位移自由度引入二维迂回相位，实现了具有独立编码自由度的片上双通道全息，并通过手机直接捕获为彩色AR全息图。通过进一步将迂回相位与自由空间PB相位(Pancharatnam-Berry)相结合，可以同时操纵片上导波和自由空间光波，相应地将AR全息多路复用扩展到三通道，这超出了现有的基于波导模式的全息技术的最高水平。由于全电介质结构良好的透明特性以及片上光学传播方式，与传统的自由空间全息相比，所得的AR投影图像具有的良好清晰度和成像强度，其显示视场也可以避免零级衍射对观察造成的干扰。该研究提出的片上超构光学AR可与光子集成电路(PIC)技术兼容，因此未来有望实现与眼镜或隐形眼镜集成的可穿戴光芯片器件。

在动态AR显示方向，课题组提出了“折叠”超表面设计方法并集成电驱动液晶器件实现动态可操控的AR显示。研究成果“DynamicAugmentedRealityDisplaybyLayer-FoldedMetasurfaceviaElectrical-DrivenLiquidCrystal”（《电驱动液晶层折叠超表面的动态AR显示》）已发表在AdvancedOpticalMaterials上，并入选为封面（FrontCover）。如图1所示，该研究通过巧妙地“折叠”多个超表面垂直空间上的光路，成功地将一个光束导向超表面和两个全息超表面级联在同一个平面上，只需要进行单次电子束曝光；同时其具有纳米尺度的对准精度，克服了多层超表面之间的纵向对准困难。论文第一作者为电子信息学院博士生唐娇和万帅，通讯作者为李仲阳。

为了丰富片上的光学功能和信息容量，课题组进一步探索了大面积可调控的动态全息方向。研究论文“ImmersiveTuningtheGuidedWavesforMulti-FunctionalOn-ChipMeta-Optics”（《浸润式操控导波的多功能片上超构光学》）的在LaserPhotonicsReviews期刊发表。该研究基于易操作且大面积可调控的浸润式调控方案，实现了片上多平面三维全息、液体浸润式的动态全息等新型功能，在动态显示、光学传感、光通信与光计算等应用中具有较大潜力。第一作者为博士生杨睿、万帅和时阳阳，通讯作者为李仲阳。

在新型多维显示技术的突破上，课题组的研究成果“On-chipmeta-opticsforsemi-transparentscreendisplayinsyncwithARprojection”（《片上超构光学实现半透明屏显与同步AR投影》）发表于美国光学学会顶刊Optica。该研究通过设计双超构原子的位移及其片上干涉，增加调制近场光散射强度的自由度，成功实现了可独立编码的双通道半透明屏幕显示，最终实现了与AR全息投影同步的屏显技术（如图3所示）。这种小型化的多维片上超构光学显示技术，有望应用于可穿戴AR显示、智能动态显示、视觉美学、多维光信息存储/加密等领域。论文第一作者为时阳阳，通讯作者为李仲阳。

图3.片上超构光学实现半透明屏显与同步AR投影

此外，在光束自由操控方面，论文“Free-SpaceOpticalMergingviaMeta-GratingInverse-Design”（《基于超构光栅逆向设计的自由空间光束合并》）在权威期刊NanoLetters发表。研究围绕光束操控中的基础功能——光束合并展开。在传统光学器件中，光束合并的功能由具有半透半反性质的分光镜来实现，此方法不仅要求光从器件两侧入射，产生了等强度的杂散光，而且增加了光学器件的系统体积与复杂性。与之相比，该研究利用逆向设计的超构光栅分别向不同角度的入射光提供特定的横向波矢，实现了仅通过反射形式即可完成光束合并，其功能可替代传统半透半反镜，丰富了光束操控器件的多样性，有助于未来光学系统的微型化与集成化。论文第一作者为级硕士生王泽静和级硕博连读生代尘杰，通讯作者为李仲阳。

近年来，NEAL课题组(

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