Multicolor and 3D Holography Generated by Inverse-Designed Single-Cell Metasurfaces,Advanced Materials

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Multicolor and 3D Holography Generated by Inverse-Designed Single-Cell Metasurfaces
Advanced Materials ( IF 27.4 ) Pub Date : 2022-12-27 , DOI: 10.1002/adma.202208520
Sunae So _{1,

2,

3} , Joohoon Kim ₁ , Trevon Badloe _{1,

2} , Chihun Lee ₁ , Younghwan Yang ₁ , Hyunjung Kang ₁ , Junsuk Rho _{1,

4,

5,

6}

Affiliation

Metasurface-generated holography has emerged as a promising route for fully reproducing vivid scenes by manipulating the optical properties of light using ultra-compact devices. However, achieving multiple holographic images using a single metasurface is still difficult due to the capacity limit of a single meta-atom. In this work, an inverse design method based on gradient-descent optimization is presented to encode multiple pieces of holographic information into a single metasurface. The proposed method allows the inverse design of single-cell metasurfaces without the need for complex meta-atom design strategies, facilitating high-throughput fabrication using broadband low-loss materials. By exploiting the proposed design method, both multiplane red-green-blue (RGB) color and three-dimensional (3D) holograms are designed and experimentally demonstrated. Multiplane RGB color holograms with nine distinct holograms are achieved, which demonstrate the state-of-the-art data capacity of a phase-only metasurface. The first experimental demonstration of metasurface-generated 3D holograms with completely independent and distinct images in each plane is also presented. The current research findings provide a viable route for practical metasurface-generated holography by demonstrating the high-density holography produced by a single metasurface. It is expected to ultimately lead to optical storage, display, and full-color imaging applications.

中文翻译：

逆向设计的单细胞超表面产生的多色和 3D 全息图

超表面生成的全息术已成为通过使用超紧凑设备操纵光的光学特性来完全再现生动场景的有前途的途径。然而，由于单个超原子的容量限制，使用单个超表面实现多个全息图像仍然很困难。在这项工作中，提出了一种基于梯度下降优化的逆向设计方法，将多条全息信息编码到单个超表面中。所提出的方法允许在不需要复杂的元原子设计策略的情况下对单细胞超表面进行逆向设计，从而促进使用宽带低损耗材料的高通量制造。通过利用所提出的设计方法，设计并实验证明了多平面红-绿-蓝 (RGB) 颜色和三维 (3D) 全息图。实现了具有九个不同全息图的多平面 RGB 彩色全息图，展示了纯相位超表面的最先进数据容量。还介绍了超表面生成的 3D 全息图的第一个实验演示，每个平面中具有完全独立和不同的图像。目前的研究结果通过展示由单个超表面产生的高密度全息图，为实用的超表面生成全息术提供了一条可行的途径。预计最终将导致光存储、显示和全彩色成像应用。这展示了纯相位超表面的最先进数据容量。还介绍了超表面生成的 3D 全息图的第一个实验演示，每个平面中具有完全独立和不同的图像。目前的研究结果通过展示由单个超表面产生的高密度全息图，为实用的超表面生成全息术提供了一条可行的途径。预计最终将导致光存储、显示和全彩色成像应用。这展示了纯相位超表面的最先进数据容量。还介绍了超表面生成的 3D 全息图的第一个实验演示，每个平面中具有完全独立和不同的图像。目前的研究结果通过展示由单个超表面产生的高密度全息图，为实用的超表面生成全息术提供了一条可行的途径。预计最终将导致光存储、显示和全彩色成像应用。目前的研究结果通过展示由单个超表面产生的高密度全息图，为实用的超表面生成全息术提供了一条可行的途径。预计最终将导致光存储、显示和全彩色成像应用。目前的研究结果通过展示由单个超表面产生的高密度全息图，为实用的超表面生成全息术提供了一条可行的途径。预计最终将导致光存储、显示和全彩色成像应用。

更新日期：2022-12-27

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