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• 标题: Dynamic 3D metasurface holography via cascaded polymer dispersed liquid crystal
• 作者:
  Shuo Sun (中国计量大学 光电技术学院)；
  Jin Li (北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院)；
  Xiaoxun Li (北京航空航天大学 杭州创新研究院)；
  Xianyu Zhao (东南大学 信息显示与可视化国际联合实验室)；
  Kun Li (CamOptics（苏州）有限公司)；
  Liang Chen (中国计量大学 光电技术学院)

通讯作者: Jin Li (北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院)
通讯作者: Xiaoxun Li (北京航空航天大学 杭州创新研究院)
通讯作者: Kun Li (CamOptics（苏州）有限公司)

• 发表时间: 2024年12月24日（其中2024年9月2日投稿，2024年11月19日返修，2024年11月30日接收）
• 发表期刊: Microsystems & Nanoengineering （Nature子刊，JCR-Q1， IF=7.3）

论文快览：

解决的问题：
传统超表面的静态特性限制了动态3D全息显示的发展，特别是在快速响应、宽带调控和低串扰方面。当前液晶集成的动态超表面仍面临自由度有限（通常小于2）、信息容量低、响应速度慢及串扰问题严重的挑战。

提出的方法：
本文提出了一种基于聚合物分散液晶（PDLC）与宽带超表面级联的动态3D全息显示器。通过采用垂直堆叠的空间通道设计，结合PDLC的高效散射态调控，利用高速动态控制系统实现对入射光的电控扫描调制。设计了多通道（四通道）PDLC-超表面设备，能够以高对比度、低串扰和快速响应显示动态3D全息图像，包括单色全息图切换和颜色动态变化显示。

实现的效果：
实现了跨整个可见光谱的动态3D全息显示，单色全息图像切换与颜色动态变化显示具有超高对比度和低串扰。实验表明，PDLC在12V以下透过率低于20%，而24V以上透过率超过60%。四通道动态寻址的3D全息显示系统展现了动态图像切换能力，串扰接近为零，实验验证了每通道动态响应的周期性开关特性。

创新性分析：
论文属于硬件设计与工艺创新的结合。PDLC与宽带超表面的级联整合提供了一种全新的动态调控机制，显著提升了动态显示的自由度、响应速度和显示对比度。同时，该方法通过优化纳米柱参数实现了宽带高效超表面设计，在硬件层面克服了传统动态超表面在自由度、串扰和响应速度上的限制。工艺创新则体现在PDLC与超表面的级联设计及多通道动态寻址控制的实现。

论文重要图文：

• **摘要：**超表面因其天然静态结构限制了具有快速响应和宽带能力的动态超表面全息显示的发展。目前，通过将液晶（LC）集成到超表面中，可以将被动超表面转变为主动超表面。然而，大多数液晶辅助的主动超表面通常在自由度（DoF，通常小于2）、信息容量、响应速度和串扰之间存在权衡。在此，我们首次通过实验展示了一种由聚合物分散液晶（PDLC）和宽带超表面构成的级联装置，实现了具有超高对比度、快速响应和连续调控的动态三维（3D）全息显示。PDLC微滴通过高速动态控制系统实现对入射光散射状态的电扫描调控。基于具有自寻址、快速响应和多通道特性的PDLC-超表面装置，成功实现了宽带、低串扰、高对比度的动态单色全息图像切换和变色全息显示。本研究为动态超表面提供了一种全新的视角。

• **结论：**综上所述，我们通过实验展示了一种由PDLC和宽带超表面组成的级联装置。此集成实现了跨可见光谱范围内的动态3D全息显示，具备超高对比度、快速响应和连续调控能力。设计基于垂直堆叠的空间通道超表面和PDLC以级联方式组合。PDLC微滴能够通过高速动态控制系统电扫描调节入射光的散射状态（反射和折射）。基于这一概念，我们制备了具有自寻址、快速响应和四通道特性的PDLC-超表面装置，能够实现宽带3D全息显示，具有低串扰和高对比度。因此，我们成功实现了动态全息效果，如单色全息图像切换和变色全息显示。本研究为动态3D全息显示提供了一种全新的研究视角。

• 重要图片：

图1 电可调PDLC-超表面动态3D全息显示的示意图。

图2 不同厚度（从7 μm到18 μm）PDLC器件在635 nm激光源下的电压-透过率性能表征。
(a) 不同厚度PDLC器件的电压依赖透过率曲线。
(b) 不同厚度PDLC器件的驱动电压和饱和电压随厚度增加的变化，表明两者都随着厚度的增加而升高。
© 不同厚度PDLC器件的开关速度。
(d) 厚度为13 μm的PDLC器件的开关循环过程。

图3 PDLC器件的测试距离和宽带性能评估，表明其高开关比性能。
(a) 随着施加电压的增加，厚度为13 μm的PDLC器件在可见光波长范围内的透过率变化图。当电压 < 12 V时，透过率低于20%；而当电压 > 24 V时，透过率高于60%。
(b) 不同测试距离下PDLC透过率的电压依赖性。
© 不同测试距离（10 mm至50 mm）和不同波长（450 nm至850 nm）下，无电压（0 V）和饱和电压（60 V）作用下PDLC的透过率，显示出在整个可见光谱范围内的高对比度。
(d) 不同测试距离下，不加电压和加饱和电压时，PDLC器件在不同波长下的对比度。

图4 纳米柱参数优化以实现高效率宽带超表面。
a 单元结构（P）的3D示意图，展示了一个涂覆在透明厚SiO2薄膜上的矩形纳米柱，其尺寸为宽度（x）、长度（y）和高度（H）。
b 宽带超表面的顶视SEM图像。
c 优化参数的基于α-Si材料的纳米柱结构的交叉极化透过率（cr-透过率）。
d 模拟在635 nm光学波长下不同长宽比矩形纳米柱的cr-透过率图。
e 在450 nm至850 nm不同波长下纳米柱高度变化的模拟图。
f 在450-850 nm波长范围内纳米柱产生的不同角度相位。

图5 通过PDLC-超表面进行光强度调制实现动态3D全息图重建。
a 用于表征3D全息图光强度调制的实验装置示意图，包括激光光源、光圈、线性偏振片（LP）、四分之一波片（QWP）、PDLC-超表面、物镜和摄像机（CCD）。
b PDLC器件在电压（10 V ~ 30 V）响应下表现出连续透过率调制，从而实现3D全息图的动态光强度调节。
c 不同实时光强下CCD捕获的3D全息图（比例尺表示2 cm）。
d 其对应的模拟值。

图6 多通道动态寻址3D全息显示的制备。
a PDLC器件的四像素通道（每个像素通道尺寸为500 μm）的示意图，每个像素的操作由微电路（蓝色）控制。
b 四通道动态寻址3D全息显示的操作，显示四架飞行飞机，表示四个像素通道处于开启状态（比例尺表示0.5 cm）。
c–f 四通道3D全息显示的3D全息图像顺序切换展示（从像素1到像素4），证明其动态寻址性能（比例尺表示0.5 cm）。
g 当像素1被激活时，不同像素在635 nm波长下的透过率比较，表明1与其他2、3、4通道之间的串扰几乎为零。
h 通过四像素通道的透过率响应循环调节，产生周期性的开关状态。

图7 宽带动态3D PDLC-超表面全息显示的制备。
a 光学路径示意图，通过反射镜和二向色镜结合473 nm激光（输入1）、532 nm激光（输入2）和635 nm激光（输入3）构建。
b 多色光束在全息重建光学路径中的集成图像。
c–e 动态宽带寻址3D全息显示的展示（比例尺表示0.5 cm）。

参考文献：

Sun, S., Li, J., Li, X. et al. Dynamic 3D metasurface holography via cascaded polymer dispersed liquid crystal. Microsyst Nanoeng 10, 203 (2024).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00855-6

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