用于复杂幅度全息图打破数值孔径限制的大视场超表面,Nanophotonics

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用于复杂幅度全息图打破数值孔径限制的大视场超表面
Nanophotonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2020-10-16 , DOI: 10.1515/nanoph-2020-0448
Yongheng Mu ₁ , Mengyao Zheng ₁ , Jiaran Qi ₁ , Hongmei Li ₁ , Jinghui Qiu ₁

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摘要由于可以同时操纵电磁波的幅度和相位，复幅度全息超表面（CAHM）与仅幅度和仅相位的超表面相比可以提高图像重建质量。然而，基于惠更斯-菲涅耳理论的 CAHM 流行设计方法，例如瑞利-索末菲衍射理论 (RSDT)，限制了大视场 (FOV) 中高精度重建的获取，尤其是在小数值孔径 (NA ）设想。为此，在微波区域提出了一种由正弦形元原子组成的 CAHM，通过一种新的复杂幅度检索方法实现，在打破大 NA 限制的同时实现大 FOV 全息图。计算和全波模拟表明，所提出的方法可以实现高质量的全息图，即使是在相对较小的 NA 场景中的非旁轴全息图，从而提高 CAHMs 的 FOV 和孔径利用效率。由我们的方法和 RSDT 设计的 CAHM 原型之间复杂多强度场分布的重建比较进一步证实了这一点。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。即使对于相对较小 NA 场景中的非旁轴全息图，从而提高 CAHM 的 FOV 和孔径利用效率。由我们的方法和 RSDT 设计的 CAHM 原型之间复杂多强度场分布的重建比较进一步证实了这一点。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。即使对于相对较小 NA 场景中的非旁轴全息图，从而提高 CAHM 的 FOV 和孔径利用效率。由我们的方法和 RSDT 设计的 CAHM 原型之间复杂多强度场分布的重建比较进一步证实了这一点。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。从而提高 CAHM 的 FOV 和孔径利用效率。由我们的方法和 RSDT 设计的 CAHM 原型之间复杂多强度场分布的重建比较进一步证实了这一点。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。从而提高 CAHM 的 FOV 和孔径利用效率。由我们的方法和 RSDT 设计的 CAHM 原型之间复杂多强度场分布的重建比较进一步证实了这一点。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。我们还通过我们的方法在理论和实验上将 CAHM 与加权 Gerchberg-Saxton 算法的仅相位超表面进行了比较。见证了具有抑制背景噪声和减轻变形的优质全息图，这是由额外的幅度操作自由度所保证的。最后，由于其波长无关，所提出的方法适用于从微波到光学的整个光谱。

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A large field-of-view metasurface for complex-amplitude hologram breaking numerical aperture limitation

Abstract Owing to the potential to manipulate simultaneously amplitude and phase of electromagnetic wave, complex-amplitude holographic metasurfaces (CAHMs) can achieve improved image-reconstruction quality compared with amplitude-only and phase-only ones. However, prevailing design methods based on Huygens–Fresnel theory for CAHMs, e.g., Rayleigh–Sommerfeld diffraction theory (RSDT), restrict acquisition of high-precision reconstruction in a large field of view (FOV), especially in the small numerical aperture (NA) scenario. To this end, a CAHM consisting of Sine-shaped meta-atoms is proposed in a microwave region, enabled by a novel complex amplitude retrieval method, to realize large FOV holograms while breaking the large NA limitation. Calculations and full-wave simulations demonstrate that the proposed method can achieve superior-quality holograms, even for nonparaxial holograms in a relatively small NA scenario, thus improving FOV and aperture utilization efficiency of CAHMs. The reconstruction comparison of a complex multi-intensity field distribution between CAHM prototypes designed by our method and by RSDT further confirms this point. We also compare both theoretically and experimentally the CAHM by our method with the phase-only metasurface by weighted Gerchberg–Saxton algorithm. Superior-quality holograms with suppressed background noise and relieved deformation, promised by the extra amplitude manipulation freedom, is witnessed. Finally, due to its wavelength irrelevance, the proposed method is applicable to the entire spectrum, spanning from microwave to optics.

更新日期：2020-10-16

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