Vollständig umprogrammierbare Codierungs-Metaoberfläche zur Erzeugung dynamisch gesteuerter Hologramme

Ein Artikel In Optoelektronische Fortschrittediskutiert eine vollständig basisreprogrammierbare Codierungs-Metaoberfläche zur Erzeugung dynamisch gesteuerter Hologramme unter beliebigen Polarisationszuständen.

Dieser Artikel schlägt ein dynamisch gesteuertes holografisches Gerät vor, das auf einer vollständig basisreprogrammierbaren Codierungsmetaoberfläche basiert. Die orthogonalen zirkularen Polarisationskomponenten der einfallenden elektromagnetischen Wellen werden als vollständiger Satz von Basiszuständen verwendet, und das holografische Bild unter beliebig polarisierten einfallenden elektromagnetischen Wellen kann moduliert und erkannt werden.

Aufgrund der Vorteile wie schnelle Reaktion, einfache Integration und hohe Praktikabilität usw. verfügt das Metagerät über ein großes Anwendungspotenzial in der Informationsspeicherung mit ultrahoher Kapazität, der dynamischen holografischen Anzeige und Erkennung sowie der multifunktionalen elektromagnetischen Informationsverarbeitung.

Ursprünglich wurde das Konzept digitaler und umprogrammierbarer Codierungsmetaoberflächen vorgeschlagen, um binäre Codes zur Quantifizierung physikalischer Parameter (z. B. Amplitude, Phase und Polarisation) zu übernehmen. Im Vergleich zu Metaoberflächen mit kontinuierlich unterschiedlichen Parametern bilden sie eine solide Grundlage für die Steuerung komplexer elektromagnetischer Vorgänge in Echtzeit und vereinfachen gleichzeitig das Design der elektromagnetischen Wellen.

Unter den zahlreichen Studien zur Wellenfrontformung mittels umprogrammierbarer codierter Metaoberflächen ist die bemerkenswerteste Anwendung zweifellos die umprogrammierbare Meta-Hologramm-Technik, also die Aufzeichnung, Speicherung und Wiedergabe der gewünschten Bilder auf Abruf. Sie erfüllt den dringenden Bedarf an Miniaturisierung, Integration und Abstimmbarkeit photoelektrischer Systeme und birgt großes Potenzial, das von der Informationsverschlüsselung bis zur intelligenten Erkennung reicht.

Mithilfe einer umprogrammierbaren Kodierungsmetaoberfläche mit doppelbrechenden Eigenschaften ist es einfach, mehrere physikalische Parameter auf der Grundlage einer orthogonalen linearen Polarisation unabhängig voneinander zu steuern und darüber hinaus eine dynamische Bildgebung und Erkennung in hoher Qualität in verschiedenen Modi zu realisieren. Allerdings erfordert eine doppelbrechende umprogrammierbare Kodierungsmetaoberfläche im Allgemeinen mehr aktive Komponenten, arbeitet in einer relativ schmalen Bandbreite und ist für die tatsächliche Anwendung hergestellter Produkte ungeeignet.

Die spinumprogrammierbare Codierungs-Metaoberfläche mit hoher Beugungseffizienz und großer Betriebsbandbreite kann durch den Einsatz externer Anregungen die elektromagnetischen Eigenschaften auf der Grundlage der orthogonalen Zirkularpolarisation rekonstruieren, was einen neuartigen Gedankengang für die Implementierung einer einfachen dynamischen holografischen Modulation, Anzeige und Erkennung mit Verschlüsselungsfähigkeit, hohem Komfort und großer Kapazität im Mikrowellenband bietet.

Die Autoren dieses Artikels schlagen ein dynamisch gesteuertes holografisches Gerät auf der Grundlage einer vollständig basisreprogrammierbaren Codierungsmetaoberfläche vor, in der die orthogonalen zirkularen Polarisationskomponenten der einfallenden elektromagnetischen Wellen als vollständiger Satz von Basiszuständen verwendet werden. Gemäß der vektoriellen Synthese- und Zerlegungstheorie des elektromagnetischen Felds kann die einfallende elektromagnetische Welle in jedem Polarisationszustand der linearen Summe dieses Satzes vollständiger Basiszustände entsprechen.

In dieser Studie erreichten sie eine unabhängige dynamische Regelung der kopolarisierten Reflexionsphasen bei gleichzeitiger Beibehaltung der gleichen Amplitude für links- und rechtshändig zirkular polarisierte Wellen durch eine schirmförmige Metallstruktur mit zwei eingebetteten symmetrischen positiv-intrinsisch-negativen Dioden, die durch unterschiedliche Spannungseingaben vom feldprogrammierbaren Gate-Array gesteuert werden können.

Entsprechend kann in Kombination mit Sequenzen, die durch einen iterativen Optimierungsalgorithmus berechnet wurden, das gewünschte holografische Bild unter beliebig polarisierten Wellen auf Grundlage der gemeinsamen Kodierung und Modulation dieses vollständigen Basissatzes erzeugt werden.

Sie demonstrierten sowohl in den Simulationen als auch in den Experimenten vier exemplarische Funktionalitäten, darunter spingesteuerte Meta-Hologramme mit identischer oder variabler Brennweite, koplanare dualpolarisierte Meta-Hologramme mit Pixelsynthese und ein vollpolarisiertes Detektionssystem auf einer Poincaré-Kugel. Damit bewiesen sie die Fähigkeit zum unabhängigen Spin-Raum-Adress-Multiplexing, die leistungsstarke Anpassungsfähigkeit beliebiger Polarisationszustände und die hohe Robustheit dynamischer Hologramme.

Darüber hinaus verfügt das gesamte Metagerät über eine kompakte Struktur, große Bandbreite und hohe Skalierbarkeit.

Die vollständig umprogrammierbare Codierungs-Metaoberfläche wird von spannungssteuerbaren aktiven Komponenten dominiert, die eine schnelle Reaktion, einfache Integration und hohe Praktikabilität ermöglichen. Sie kann außerdem mit Signalmodulations- und -demodulationsgeräten verbunden werden, um die Übertragungsweiterleitung realer Bilder zu erreichen, und weist ein großes Anwendungspotenzial in der Informationsspeicherung mit ultrahoher Kapazität, der dynamischen holografischen Anzeige und Erkennung sowie der multifunktionalen elektromagnetischen Informationsverarbeitung auf.