超構表面結構是人工設計的具有亞波長厚度的單層結構，能夠靈活的控制光的振幅，相位和偏振。基于超構表面對于不同波長光的振幅按需調控，它們被廣泛應用于納米圖像器件的研究，實現了衍射極限分辨率、超高耐久度和如圖信息加密等優異功能。而基于超構表面對光場相位的精確調控，可發展新型高集成的彩色立體全息顯示技術。雖然超構表面結構在平面和全息圖像的研究中取得令人欣喜的進展，但基于單層超構表面結構的任意平面和全息圖像集成一直未能實現。而且，由于超構表面結構所呈現的平面色彩僅能實現顏色色度（H）和飽和度（S）的調控而無法實現顏色強度（B）的任意調控，超構表面結構一直無法呈現圖像陰影和色彩明暗變化，也就無法完全重現真實世界的畫面。上述兩個功能缺失極大地限制了超構表面圖像技術的進一步發展，是目前該領域研究亟需攻克的難題。
近日，我校物理學院王雪華教授和團隊成員周張凱副教授、包燕軍研究員等提出一種能有效克服上述兩個功能缺失的方法。基于團隊前期發展的相干相位設計理念（Adv. Funct. Mater. 28, 1805306,2018），他們設計兩個硅納米棒作為超構表面的基本相干像素結構單元，從而實現光場透射的有效調控。通過獨立控制兩個納米棒的轉角，可以實現單層結構對振幅和相位的獨立調控，從而能夠在單層納米結構上實現任意全息與平面圖像的集成。更進一步，針對于彩色平面圖像，可以通過硅納米棒的尺寸（即單根納米棒的長和寬）以及納米棒之間的轉角差的控制，實現對顏色HSB三參數的按需調控，從而將超構表面結構色的調控能力從二維的色度-飽和度平面，真正拓展到三維的色度-飽和度-強度空間（如下圖）。
HSB顏色調控以及HSB平面打印圖像和三維全彩全息集成
以上研究成果將豐富和拓展超構表面在圖像器件方面的應用，比如實現有陰影信息的彩色圖像打印，開發新型全彩平面與彩色全息圖像的集成顯示技術，研制基于平面和全息圖像集成的納米隱寫信息安全技術等。同時，該工作中體現的相干像素設計理念也將對復雜光場調控問題提供新的解決思路和方案。
上述工作已于10月23號在線發表在國際知名期刊[Light: Science & Applications 8, 95 ( 2019). IF=14]。第一作者是中山大學包燕軍研究員，通訊作者是周張凱副教授、仇成偉教授（新加坡國立大學）和王雪華教授。該研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、“廣東省特支計劃”科技創新青年拔尖人才、廣東省自然科學杰出青年項目和一般項目、廣州市科技創新委“珠江科技新星”項目、中山大學基本業務費、以及光電材料與技術國家重點實驗室、國家超級計算廣州中心等項目的大力支持。
