11 mars 2024 (Projecteur Nanowerk) L'holographie, la technique consistant à utiliser la lumière pour reconstruire des images tridimensionnelles, captive depuis longtemps l'imagination des scientifiques et du public. En enregistrant puis en recréant la forme d'onde complète de la lumière réfléchie par un objet, les hologrammes peuvent afficher des images qui changent de perspective en fonction de la position du spectateur, créant ainsi une illusion convaincante de profondeur. Le rêve de tirer parti de cette capacité pour créer des écrans holographiques dynamiques en couleur a motivé des décennies de recherche, mais est resté obstinément hors de portée. Le défi réside dans le fait que, pour créer un hologramme, les ondes lumineuses doivent être contrôlées avec précision à des échelles inférieures à la longueur d’onde de la lumière elle-même. L'holographie traditionnelle repose sur l'utilisation de films de matériaux sensibles à la lumière pour enregistrer des motifs d'interférence, qui à leur tour peuvent reproduire le front d'onde lumineux et créer une image holographique. Cependant, cette approche produit des hologrammes statiques qui ne peuvent pas être facilement modifiés. Plus récemment, les scientifiques ont expérimenté l'utilisation de cristaux liquides, des matériaux dans lesquels des molécules en forme de bâtonnets s'alignent automatiquement pour former des structures ordonnées, comme support holographique dynamique. L’application de champs électriques peut modifier l’orientation des molécules de cristaux liquides, modifiant ainsi leur façon d’interagir avec la lumière et permettant potentiellement d’ajuster l’image holographique. Cependant, jusqu’à présent, l’holographie à base de cristaux liquides se heurtait à des limites. La plupart des approches superposent des cristaux liquides sur des surfaces à motifs statiques ou métasurfaces conçu pour changer la phase des ondes lumineuses de manière spécifique. Bien que ces systèmes hybrides cristaux liquides-métasurface offrent une certaine adaptabilité, ils sont complexes à fabriquer et la couche de cristaux liquides ne peut généralement conférer que des changements uniformes au modèle de phase prédéfini. Cela limite la génération d’images et empêche la projection d’images holographiques complètement arbitraires. La création d’un système à cristaux liquides capable d’une holographie polyvalente et dynamique reste un besoin non satisfait. Autrement dit, jusqu'à ce qu'une nouvelle étude révolutionnaire soit menée par une équipe de recherche couvrant trois universités en Chine et à Singapour. Comme le rapporte le journal eLight (« Holographie vectorielle à cristaux liquides »), les scientifiques ont développé le premier dispositif à cristaux liquides monocouche capable de générer des images holographiques dynamiques complètement arbitraires englobant tout le spectre des couleurs visibles. Leur nouvelle approche, qu’ils surnomment « holographie vectorielle », a le potentiel de permettre enfin des affichages holographiques pratiques.
Illustrations schématiques de l'holographie LC scalaire et vectorielle. a Holographie LC scalaire. L'image holographique (un chat) est reconstruite avec une distribution de phase aléatoire lorsqu'elle est éclairée par la lumière LCP. b Holographie LC vectorielle. Nous multiplexons spatialement les hologrammes LC pour LCP et RCP en une seule couche LC, indiquée par des directeurs LC bleus et rouges. Deux images holographiques indépendantes (un chat sans queue et un chat sans tête) sont générées avec des amplitudes et des différences de phase spatialement variables lorsqu'elles sont éclairées par une lumière polarisée linéairement. Ces deux images se chevauchent partiellement. Le motif vectoriel est déterminé à la fois par la distribution de différence de phase et par le rapport d'amplitude. eLight (CC BY 4.0) La clé de l'innovation de l'équipe consistait à développer un moyen de prendre un contrôle complet sur les molécules de cristaux liquides, pixel par pixel, au sein d'une seule couche. Ils y sont parvenus en utilisant un dispositif à micromiroir numérique comme photomasque dynamique, leur permettant de définir avec précision l'orientation moléculaire en plus d'un million de points à travers la couche de cristaux liquides avec une résolution d'environ un micromètre. En contrôlant simultanément l'angle d'orientation et le déphasage résultant conféré à chaque pixel lorsqu'une tension est appliquée, les chercheurs pourraient définir de manière holographique un champ lumineux cible avec un contrôle complet sur l'amplitude et la polarisation du front d'onde en chaque point.
Grâce à cette approche, les scientifiques ont pu générer deux images holographiques totalement indépendantes, une pour la lumière polarisée circulairement gauche et une pour la lumière polarisée circulairement droite. Ils ont ensuite ingénieusement combiné ces deux images en un seul motif de cristaux liquides à l’aide d’un nouvel algorithme de calcul d’hologramme. Lorsqu'il est éclairé par une lumière de l'une ou l'autre polarisation, cet hologramme combiné produit l'image cible pour cette main d'un côté, mais avec un déphasage égal et opposé entre les deux. Ainsi, la polarisation de la lumière est transformée de manière définie en chaque point du front d’onde sortant.
En utilisant une lumière d'entrée contenant un mélange égal des deux polarisations circulaires, les chercheurs pourraient faire interférer les deux images holographiques, leur donnant ainsi un contrôle efficace au niveau des pixels sur la polarisation résultante en chaque point, y compris la possibilité de créer des points de polarisation linéaire à n'importe quel angle. . La relation d'amplitude et de phase entre les deux polarisations circulaires définit un état de polarisation qui trace un chemin sur la sphère de Poincaré, une représentation graphique de toutes les polarisations possibles, au fur et à mesure que l'hologramme est parcouru.
En utilisant ce contrôle de polarisation comme degré de liberté supplémentaire, l’équipe a démontré plusieurs capacités remarquables. Ils ont créé une image holographique d'une horloge dans laquelle les aiguilles des heures et des minutes étaient projetées avec des polarisations circulaires opposées tandis que les nombres étaient codés sous forme de polarisations linéaires spécifiques sous différents angles, cryptant l'heure complète d'une manière uniquement révélée par l'analyse de polarisation. Plus frappant encore, ils ont généré des images holographiques de la Lune dans lesquelles l’amplitude et la polarisation spatialement variables étaient simultanément contrôlées de manière totalement arbitraire.
En appliquant un champ électrique, les scientifiques pourraient régler et commuter ces projections holographiques en temps réel, grâce à la réponse dynamique des molécules de cristaux liquides. Ils ont même créé une vidéo holographique d’un joueur de football effectuant un coup franc, dans laquelle différentes images temporelles étaient multiplexées dans les canaux de polarisation linéaire et pouvaient être visualisées en séquence en faisant tourner un analyseur de polarisation. L’ensemble du système s’est avéré très efficace, avec plus de 60 % de la lumière d’entrée étant convertie en front d’onde holographique souhaité sur l’ensemble du spectre visible – une avancée clé par rapport à la nature à bande étroite des approches basées sur les métasurfaces.
Avec ce travail révolutionnaire, les chercheurs ont ouvert un tout nouveau paradigme pour l’holographie à cristaux liquides. Leur approche de multiplexage de polarisation augmente de façon exponentielle la capacité d’information des hologrammes et permet un contrôle complet sur les champs lumineux reconstruits. La simplicité de leur conception monocouche combinée à la réponse rapide et à la capacité à large bande des cristaux liquides rend leur plate-forme particulièrement adaptée à la création d'écrans holographiques dynamiques. La vidéo holographique en couleur en temps réel est désormais à portée de main.
Pour l’avenir, les chercheurs envisagent un large éventail d’applications pour leur technologie d’holographie vectorielle. Les images holographiques cryptées pourraient être utilisées comme une nouvelle plate-forme polyvalente pour la sécurité et la lutte contre la contrefaçon. Les projections holographiques pourraient permettre de nouveaux affichages de réalité augmentée et virtuelle. Le contrôle arbitraire de l'amplitude et de la polarisation de la lumière peut permettre de nouveaux types de pièges optiques et de manipulations pour la recherche biologique et le nano-assemblage. À mesure que l’équipe affine son processus de fabrication et augmente la taille de ses hologrammes à cristaux liquides, ces possibilités et bien d’autres sont sur le point de devenir réalité.
Le développement du premier dispositif à cristaux liquides monocouche capable d’assurer un contrôle dynamique complet des champs lumineux holographiques est incontestablement une réalisation historique. En exploitant pleinement la nature liquide des cristaux liquides et en combinant le contrôle de l’amplitude et de la polarisation dans un cadre unifié, les chercheurs ont réalisé ce que l’on pensait auparavant impossible avec l’holographie à cristaux liquides.
Illustrations schématiques de l'holographie LC scalaire et vectorielle. a Holographie LC scalaire. L'image holographique (un chat) est reconstruite avec une distribution de phase aléatoire lorsqu'elle est éclairée par la lumière LCP. b Holographie LC vectorielle. Nous multiplexons spatialement les hologrammes LC pour LCP et RCP en une seule couche LC, indiquée par des directeurs LC bleus et rouges. Deux images holographiques indépendantes (un chat sans queue et un chat sans tête) sont générées avec des amplitudes et des différences de phase spatialement variables lorsqu'elles sont éclairées par une lumière polarisée linéairement. Ces deux images se chevauchent partiellement. Le motif vectoriel est déterminé à la fois par la distribution de différence de phase et par le rapport d'amplitude. eLight (CC BY 4.0) La clé de l'innovation de l'équipe consistait à développer un moyen de prendre un contrôle complet sur les molécules de cristaux liquides, pixel par pixel, au sein d'une seule couche. Ils y sont parvenus en utilisant un dispositif à micromiroir numérique comme photomasque dynamique, leur permettant de définir avec précision l'orientation moléculaire en plus d'un million de points à travers la couche de cristaux liquides avec une résolution d'environ un micromètre. En contrôlant simultanément l'angle d'orientation et le déphasage résultant conféré à chaque pixel lorsqu'une tension est appliquée, les chercheurs pourraient définir de manière holographique un champ lumineux cible avec un contrôle complet sur l'amplitude et la polarisation du front d'onde en chaque point.
Grâce à cette approche, les scientifiques ont pu générer deux images holographiques totalement indépendantes, une pour la lumière polarisée circulairement gauche et une pour la lumière polarisée circulairement droite. Ils ont ensuite ingénieusement combiné ces deux images en un seul motif de cristaux liquides à l’aide d’un nouvel algorithme de calcul d’hologramme. Lorsqu'il est éclairé par une lumière de l'une ou l'autre polarisation, cet hologramme combiné produit l'image cible pour cette main d'un côté, mais avec un déphasage égal et opposé entre les deux. Ainsi, la polarisation de la lumière est transformée de manière définie en chaque point du front d’onde sortant.
En utilisant une lumière d'entrée contenant un mélange égal des deux polarisations circulaires, les chercheurs pourraient faire interférer les deux images holographiques, leur donnant ainsi un contrôle efficace au niveau des pixels sur la polarisation résultante en chaque point, y compris la possibilité de créer des points de polarisation linéaire à n'importe quel angle. . La relation d'amplitude et de phase entre les deux polarisations circulaires définit un état de polarisation qui trace un chemin sur la sphère de Poincaré, une représentation graphique de toutes les polarisations possibles, au fur et à mesure que l'hologramme est parcouru.
En utilisant ce contrôle de polarisation comme degré de liberté supplémentaire, l’équipe a démontré plusieurs capacités remarquables. Ils ont créé une image holographique d'une horloge dans laquelle les aiguilles des heures et des minutes étaient projetées avec des polarisations circulaires opposées tandis que les nombres étaient codés sous forme de polarisations linéaires spécifiques sous différents angles, cryptant l'heure complète d'une manière uniquement révélée par l'analyse de polarisation. Plus frappant encore, ils ont généré des images holographiques de la Lune dans lesquelles l’amplitude et la polarisation spatialement variables étaient simultanément contrôlées de manière totalement arbitraire.
En appliquant un champ électrique, les scientifiques pourraient régler et commuter ces projections holographiques en temps réel, grâce à la réponse dynamique des molécules de cristaux liquides. Ils ont même créé une vidéo holographique d’un joueur de football effectuant un coup franc, dans laquelle différentes images temporelles étaient multiplexées dans les canaux de polarisation linéaire et pouvaient être visualisées en séquence en faisant tourner un analyseur de polarisation. L’ensemble du système s’est avéré très efficace, avec plus de 60 % de la lumière d’entrée étant convertie en front d’onde holographique souhaité sur l’ensemble du spectre visible – une avancée clé par rapport à la nature à bande étroite des approches basées sur les métasurfaces.
Avec ce travail révolutionnaire, les chercheurs ont ouvert un tout nouveau paradigme pour l’holographie à cristaux liquides. Leur approche de multiplexage de polarisation augmente de façon exponentielle la capacité d’information des hologrammes et permet un contrôle complet sur les champs lumineux reconstruits. La simplicité de leur conception monocouche combinée à la réponse rapide et à la capacité à large bande des cristaux liquides rend leur plate-forme particulièrement adaptée à la création d'écrans holographiques dynamiques. La vidéo holographique en couleur en temps réel est désormais à portée de main.
Pour l’avenir, les chercheurs envisagent un large éventail d’applications pour leur technologie d’holographie vectorielle. Les images holographiques cryptées pourraient être utilisées comme une nouvelle plate-forme polyvalente pour la sécurité et la lutte contre la contrefaçon. Les projections holographiques pourraient permettre de nouveaux affichages de réalité augmentée et virtuelle. Le contrôle arbitraire de l'amplitude et de la polarisation de la lumière peut permettre de nouveaux types de pièges optiques et de manipulations pour la recherche biologique et le nano-assemblage. À mesure que l’équipe affine son processus de fabrication et augmente la taille de ses hologrammes à cristaux liquides, ces possibilités et bien d’autres sont sur le point de devenir réalité.
Le développement du premier dispositif à cristaux liquides monocouche capable d’assurer un contrôle dynamique complet des champs lumineux holographiques est incontestablement une réalisation historique. En exploitant pleinement la nature liquide des cristaux liquides et en combinant le contrôle de l’amplitude et de la polarisation dans un cadre unifié, les chercheurs ont réalisé ce que l’on pensait auparavant impossible avec l’holographie à cristaux liquides.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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