11 maart 2024 (Nanowerk-schijnwerper) Holografie, de techniek waarbij licht wordt gebruikt om driedimensionale beelden te reconstrueren, spreekt al lang tot de verbeelding van zowel wetenschappers als het publiek. Door de volledige golfvorm van door een object weerkaatst licht op te nemen en later opnieuw te creëren, kunnen hologrammen beelden weergeven die verschuiven en van perspectief veranderen op basis van de positie van de kijker, waardoor een meeslepende illusie van diepte ontstaat. De droom om deze mogelijkheid te benutten om dynamische, full-color holografische displays te creëren heeft tientallen jaren van onderzoek voortgebracht, maar is koppig buiten bereik gebleven. De uitdaging ligt in het feit dat, om een hologram te maken, lichtgolven nauwkeurig moeten worden gecontroleerd op schalen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht zelf. Traditionele holografie is gebaseerd op het gebruik van films van lichtgevoelige materialen om interferentiepatronen vast te leggen, die op hun beurt het lichtgolffront kunnen reproduceren en een holografisch beeld kunnen creëren. Deze aanpak levert echter statische hologrammen op die niet gemakkelijk kunnen worden gewijzigd. Meer recentelijk hebben wetenschappers geëxperimenteerd met het gebruik van vloeibare kristallen, materialen waarin staafvormige moleculen zichzelf uitlijnen in geordende structuren, als dynamische holografische media. Het toepassen van elektrische velden kan de oriëntatie van vloeibare kristalmoleculen veranderen, waardoor de interactie met licht verandert en het holografische beeld mogelijk kan worden afgestemd. Tot nu toe heeft de op vloeibare kristallen gebaseerde holografie echter te maken gehad met beperkingen. Bij de meeste benaderingen worden vloeibare kristallen op oppervlakken met statische patronen aangebracht meta-oppervlakken ontworpen om de fase van lichtgolven op specifieke manieren te veranderen. Hoewel deze hybride vloeibaar-kristal-metasurface-systemen enige afstembaarheid bieden, zijn ze complex om te fabriceren, en kan de vloeibaar-kristallaag doorgaans alleen uniforme veranderingen aan het vooraf gedefinieerde fasepatroon teweegbrengen. Dit beperkt het genereren van beelden en voorkomt het projecteren van volledig willekeurige holografische beelden. Het creëren van een vloeibaar-kristalsysteem dat in staat is tot veelzijdige en dynamische holografie is een onvervulde behoefte gebleven. Dat wil zeggen, tot een baanbrekend nieuw onderzoek van een onderzoeksteam van drie universiteiten in China en Singapore. Zoals gerapporteerd in het journaal eLicht (“Vectoriële holografie met vloeibare kristallen”), hebben de wetenschappers het eerste enkellaags vloeibaar-kristalapparaat ontwikkeld dat volledig willekeurige dynamische holografische beelden kan genereren die het volledige zichtbare kleurenspectrum omvatten. Hun nieuwe aanpak, die zij ‘vectoriële holografie’ noemen, heeft het potentieel om eindelijk praktische holografische weergaven mogelijk te maken.
Schematische illustraties van scalaire en vectoriële LC-holografie. a Scalaire LC-holografie. Holografisch beeld (een kat) wordt gereconstrueerd met een willekeurige faseverdeling bij verlichting door LCP-licht. b Vectoriële LC-holografie. We multiplexen de LC-hologrammen voor LCP en RCP ruimtelijk in een enkele LC-laag, die wordt aangegeven door blauwe en rode LC-directeuren. Twee onafhankelijke holografische beelden (een kat zonder staart en een kat zonder kop) worden gegenereerd met ruimtelijk variërende amplitudes en faseverschillen wanneer ze worden verlicht door lineair gepolariseerd licht. Deze twee afbeeldingen overlappen elkaar gedeeltelijk. Het vectoriële patroon wordt bepaald door zowel de faseverschilverdeling als de amplitudeverhouding. eLight, (CC BY 4.0) De sleutel tot de innovatie van het team was het ontwikkelen van een manier om de volledige controle over vloeibare kristalmoleculen pixel voor pixel binnen één enkele laag te krijgen. Ze bereikten dit door een digitaal microspiegelapparaat als dynamisch fotomasker te gebruiken, waardoor ze de moleculaire oriëntatie op meer dan een miljoen punten over de vloeibare kristallaag nauwkeurig konden definiëren met een resolutie van ongeveer één micrometer. Door tegelijkertijd de oriëntatiehoek en de daaruit voortvloeiende faseverschuiving te regelen die aan elke pixel wordt gegeven wanneer een spanning wordt aangelegd, kunnen de onderzoekers holografisch een doellichtveld definiëren met volledige controle over zowel de amplitude als de polarisatie van het golffront op elk punt.
Met behulp van deze aanpak konden de wetenschappers twee volledig onafhankelijke holografische beelden genereren, één voor links circulair gepolariseerd licht en één voor rechts circulair gepolariseerd licht. Vervolgens combineerden ze deze twee beelden op ingenieuze wijze tot één vloeibaar-kristalpatroon met behulp van een nieuw ontwikkeld hologramberekeningsalgoritme. Wanneer het wordt belicht met licht van een van beide polarisaties, produceert dit gecombineerde hologram het doelbeeld voor die handigheid aan één kant, maar met een gelijke en tegengestelde faseverschuiving tussen de twee. De polarisatie van licht wordt dus op elk punt van het uitgaande golffront op een gedefinieerde manier getransformeerd.
Door ingangslicht te gebruiken dat een gelijke mix van beide circulaire polarisaties bevat, konden de onderzoekers de twee holografische beelden met elkaar laten interfereren, waardoor ze op elk punt effectieve controle op pixelniveau kregen over de resulterende polarisatie – inclusief de mogelijkheid om punten van lineaire polarisatie onder elke hoek te creëren . De amplitude- en faserelatie tussen de twee circulaire polarisaties definieert een polarisatietoestand die een pad uitstippelt op de Poincaré-bol, een grafische weergave van alle mogelijke polarisaties, terwijl het hologram wordt doorlopen.
Door deze polarisatiebeheersing als extra vrijheidsgraad te gebruiken, demonstreerde het team een aantal opmerkelijke capaciteiten. Ze creëerden een holografisch beeld van een klok waarin de uren- en minutenwijzers werden geprojecteerd met tegengestelde circulaire polarisaties, terwijl getallen werden gecodeerd als specifieke lineaire polarisaties onder verschillende hoeken, waardoor de volledige tijd werd gecodeerd op een manier die alleen aan het licht komt door polarisatieanalyse. Nog opvallender was dat ze holografische beelden van de maan genereerden waarin zowel de ruimtelijk variërende amplitude als de polarisatie tegelijkertijd op geheel willekeurige wijze werden gecontroleerd.
Door een elektrisch veld aan te leggen konden de wetenschappers deze holografische projecties in realtime afstemmen en schakelen, dankzij de dynamische respons van de vloeibare kristalmoleculen. Ze creëerden zelfs een holografische video van een voetballer die een vrije trap neemt, waarin verschillende temporele frames werden gemultiplext in de lineaire polarisatiekanalen en achtereenvolgens konden worden bekeken door een polarisatie-analysator te draaien. Het hele systeem bleek zeer efficiënt, waarbij meer dan 60% van het ingangslicht werd omgezet in het gewenste holografische golffront over het hele zichtbare spectrum – een belangrijke vooruitgang ten opzichte van het smalbandige karakter van op metasurfaces gebaseerde benaderingen.
Met dit baanbrekende werk hebben de onderzoekers een geheel nieuw paradigma voor vloeibaar-kristalholografie geopend. Hun polarisatiemultiplex-aanpak breidt de informatiecapaciteit van hologrammen exponentieel uit en maakt volledige controle over gereconstrueerde lichtvelden mogelijk. De eenvoud van hun enkellaags ontwerp gecombineerd met de snelle respons en breedbandcapaciteit van vloeibare kristallen maakt hun platform bij uitstek geschikt voor het creëren van dynamische holografische displays. Realtime holografische video in kleur is nu binnen handbereik.
Vooruitkijkend voorzien de onderzoekers een breed scala aan toepassingen voor hun vectoriële holografietechnologie. Gecodeerde holografische afbeeldingen kunnen worden gebruikt als een veelzijdig nieuw platform voor beveiliging en anti-namaak. Holografische projecties kunnen nieuwe augmented- en virtual reality-displays mogelijk maken. De willekeurige controle van zowel de amplitude als de polarisatie van het licht kan nieuwe soorten optische vallen en manipulaties voor biologisch onderzoek en nano-assemblage mogelijk maken. Terwijl het team hun fabricageproces verfijnt en de omvang van hun vloeibaar-kristalhologrammen opschaalt, staan deze en nog veel meer mogelijkheden op het punt werkelijkheid te worden.
De ontwikkeling van het eerste enkellaags vloeibaar-kristalapparaat dat in staat is tot volledige dynamische controle over holografische lichtvelden is zonder twijfel een mijlpaal. Door volledig gebruik te maken van de vloeibare aard van vloeibare kristallen en door amplitude- en polarisatiecontrole te combineren in een uniform raamwerk, hebben de onderzoekers bereikt wat voorheen onmogelijk werd geacht met vloeibaar-kristalholografie.
Schematische illustraties van scalaire en vectoriële LC-holografie. a Scalaire LC-holografie. Holografisch beeld (een kat) wordt gereconstrueerd met een willekeurige faseverdeling bij verlichting door LCP-licht. b Vectoriële LC-holografie. We multiplexen de LC-hologrammen voor LCP en RCP ruimtelijk in een enkele LC-laag, die wordt aangegeven door blauwe en rode LC-directeuren. Twee onafhankelijke holografische beelden (een kat zonder staart en een kat zonder kop) worden gegenereerd met ruimtelijk variërende amplitudes en faseverschillen wanneer ze worden verlicht door lineair gepolariseerd licht. Deze twee afbeeldingen overlappen elkaar gedeeltelijk. Het vectoriële patroon wordt bepaald door zowel de faseverschilverdeling als de amplitudeverhouding. eLight, (CC BY 4.0) De sleutel tot de innovatie van het team was het ontwikkelen van een manier om de volledige controle over vloeibare kristalmoleculen pixel voor pixel binnen één enkele laag te krijgen. Ze bereikten dit door een digitaal microspiegelapparaat als dynamisch fotomasker te gebruiken, waardoor ze de moleculaire oriëntatie op meer dan een miljoen punten over de vloeibare kristallaag nauwkeurig konden definiëren met een resolutie van ongeveer één micrometer. Door tegelijkertijd de oriëntatiehoek en de daaruit voortvloeiende faseverschuiving te regelen die aan elke pixel wordt gegeven wanneer een spanning wordt aangelegd, kunnen de onderzoekers holografisch een doellichtveld definiëren met volledige controle over zowel de amplitude als de polarisatie van het golffront op elk punt.
Met behulp van deze aanpak konden de wetenschappers twee volledig onafhankelijke holografische beelden genereren, één voor links circulair gepolariseerd licht en één voor rechts circulair gepolariseerd licht. Vervolgens combineerden ze deze twee beelden op ingenieuze wijze tot één vloeibaar-kristalpatroon met behulp van een nieuw ontwikkeld hologramberekeningsalgoritme. Wanneer het wordt belicht met licht van een van beide polarisaties, produceert dit gecombineerde hologram het doelbeeld voor die handigheid aan één kant, maar met een gelijke en tegengestelde faseverschuiving tussen de twee. De polarisatie van licht wordt dus op elk punt van het uitgaande golffront op een gedefinieerde manier getransformeerd.
Door ingangslicht te gebruiken dat een gelijke mix van beide circulaire polarisaties bevat, konden de onderzoekers de twee holografische beelden met elkaar laten interfereren, waardoor ze op elk punt effectieve controle op pixelniveau kregen over de resulterende polarisatie – inclusief de mogelijkheid om punten van lineaire polarisatie onder elke hoek te creëren . De amplitude- en faserelatie tussen de twee circulaire polarisaties definieert een polarisatietoestand die een pad uitstippelt op de Poincaré-bol, een grafische weergave van alle mogelijke polarisaties, terwijl het hologram wordt doorlopen.
Door deze polarisatiebeheersing als extra vrijheidsgraad te gebruiken, demonstreerde het team een aantal opmerkelijke capaciteiten. Ze creëerden een holografisch beeld van een klok waarin de uren- en minutenwijzers werden geprojecteerd met tegengestelde circulaire polarisaties, terwijl getallen werden gecodeerd als specifieke lineaire polarisaties onder verschillende hoeken, waardoor de volledige tijd werd gecodeerd op een manier die alleen aan het licht komt door polarisatieanalyse. Nog opvallender was dat ze holografische beelden van de maan genereerden waarin zowel de ruimtelijk variërende amplitude als de polarisatie tegelijkertijd op geheel willekeurige wijze werden gecontroleerd.
Door een elektrisch veld aan te leggen konden de wetenschappers deze holografische projecties in realtime afstemmen en schakelen, dankzij de dynamische respons van de vloeibare kristalmoleculen. Ze creëerden zelfs een holografische video van een voetballer die een vrije trap neemt, waarin verschillende temporele frames werden gemultiplext in de lineaire polarisatiekanalen en achtereenvolgens konden worden bekeken door een polarisatie-analysator te draaien. Het hele systeem bleek zeer efficiënt, waarbij meer dan 60% van het ingangslicht werd omgezet in het gewenste holografische golffront over het hele zichtbare spectrum – een belangrijke vooruitgang ten opzichte van het smalbandige karakter van op metasurfaces gebaseerde benaderingen.
Met dit baanbrekende werk hebben de onderzoekers een geheel nieuw paradigma voor vloeibaar-kristalholografie geopend. Hun polarisatiemultiplex-aanpak breidt de informatiecapaciteit van hologrammen exponentieel uit en maakt volledige controle over gereconstrueerde lichtvelden mogelijk. De eenvoud van hun enkellaags ontwerp gecombineerd met de snelle respons en breedbandcapaciteit van vloeibare kristallen maakt hun platform bij uitstek geschikt voor het creëren van dynamische holografische displays. Realtime holografische video in kleur is nu binnen handbereik.
Vooruitkijkend voorzien de onderzoekers een breed scala aan toepassingen voor hun vectoriële holografietechnologie. Gecodeerde holografische afbeeldingen kunnen worden gebruikt als een veelzijdig nieuw platform voor beveiliging en anti-namaak. Holografische projecties kunnen nieuwe augmented- en virtual reality-displays mogelijk maken. De willekeurige controle van zowel de amplitude als de polarisatie van het licht kan nieuwe soorten optische vallen en manipulaties voor biologisch onderzoek en nano-assemblage mogelijk maken. Terwijl het team hun fabricageproces verfijnt en de omvang van hun vloeibaar-kristalhologrammen opschaalt, staan deze en nog veel meer mogelijkheden op het punt werkelijkheid te worden.
De ontwikkeling van het eerste enkellaags vloeibaar-kristalapparaat dat in staat is tot volledige dynamische controle over holografische lichtvelden is zonder twijfel een mijlpaal. Door volledig gebruik te maken van de vloeibare aard van vloeibare kristallen en door amplitude- en polarisatiecontrole te combineren in een uniform raamwerk, hebben de onderzoekers bereikt wat voorheen onmogelijk werd geacht met vloeibaar-kristalholografie.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64826.php
