11 mars 2024 (Nanowerk Spotlight) Holografi, tekniken att använda ljus för att rekonstruera tredimensionella bilder, har länge fångat både forskare och allmänhetens fantasi. Genom att spela in och senare återskapa den fullständiga vågformen av ljus som reflekteras från ett objekt, kan hologram visa bilder som skiftar och ändrar perspektiv baserat på betraktarens position, vilket skapar en övertygande illusion av djup. Drömmen om att utnyttja denna förmåga för att skapa dynamiska holografiska skärmar i fullfärg har drivit på årtionden av forskning men har varit envist utom räckhåll. Utmaningen ligger i det faktum att för att skapa ett hologram måste ljusvågor kontrolleras exakt på skalor som är mindre än själva ljusets våglängd. Traditionell holografi förlitar sig på att använda filmer av ljuskänsliga material för att registrera interferensmönster, som i sin tur kan reproducera ljusvågfronten och skapa en holografisk bild. Detta tillvägagångssätt producerar emellertid statiska hologram som inte enkelt kan ändras. På senare tid har forskare experimenterat med att använda flytande kristaller, material där stavformade molekyler självjusterar in i ordnade strukturer, som dynamiska holografiska medier. Att applicera elektriska fält kan ändra orienteringen av flytande kristallmolekyler, förändra hur de interagerar med ljus och potentiellt tillåta att den holografiska bilden kan ställas in. Fram till nu har dock flytande kristallbaserad holografi mött begränsningar. De flesta tillvägagångssätt skikt flytande kristaller ovanpå statiska mönstrade ytor eller metasytor utformad för att ändra fasen för ljusvågor på specifika sätt. Även om dessa hybridvätskekristall-metasytor ger viss avstämningsförmåga, är de komplicerade att tillverka, och vätskekristallskiktet kan typiskt bara ge enhetliga förändringar till det fördefinierade fasmönstret. Detta begränsar bildgenerering och förhindrar projicering av helt godtyckliga holografiska bilder. Att skapa ett flytande kristallsystem som kan göra mångsidig och dynamisk holografi har förblivit ett ouppfyllt behov. Det vill säga tills en banbrytande ny studie från ett forskarlag som spänner över tre universitet i Kina och Singapore. Som rapporterats i tidningen eLight ("Vektoriell flytande kristall holografi"), har forskarna utvecklat den första enskiktiga flytande kristallenheten som kan generera helt godtyckliga dynamiska holografiska bilder som omfattar hela det synliga färgspektrumet. Deras nya tillvägagångssätt, som de kallar "vektorholografi", har potential att äntligen möjliggöra praktiska holografiska visningar.
Schematiska illustrationer av skalär och vektoriell LC-holografi. a Skalär LC-holografi. Holografisk bild (en katt) rekonstrueras med en slumpmässig fasfördelning när den belyses av LCP-ljus. b Vektoriell LC-holografi. Vi multiplexerar rumsligt LC-hologrammen för LCP och RCP till ett enda LC-lager, som indikeras av blå och röda LC-direktörer. Två oberoende holografiska bilder (en katt utan svans och en katt utan huvud) genereras med rumsligt varierande amplituder och fasskillnader när de belyses av linjärt polariserat ljus. Dessa två bilder är delvis överlappade. Vektormönstret bestäms av både fasskillnadsfördelningen och amplitudförhållandet. eLight, (CC BY 4.0) Nyckeln till teamets innovation var att utveckla ett sätt att ta fullständig kontroll över flytande kristallmolekyler på en pixel-för-pixel-basis inom ett enda lager. De uppnådde detta genom att använda en digital mikrospegelanordning som en dynamisk fotomask, vilket gör det möjligt för dem att exakt definiera den molekylära orienteringen vid över en miljon punkter över det flytande kristallskiktet med en upplösning på ungefär en mikrometer. Genom att samtidigt kontrollera orienteringsvinkeln och den resulterande fasförskjutningen som ges vid varje pixel när en spänning appliceras, kunde forskarna holografiskt definiera ett målljusfält med fullständig kontroll över både amplituden och polariseringen av vågfronten vid varje punkt.
Med detta tillvägagångssätt kunde forskarna generera två helt oberoende holografiska bilder, en för vänster cirkulärt polariserat ljus och en för höger cirkulärt polariserat ljus. De kombinerade sedan genialiskt dessa två bilder till ett enda flytande kristallmönster med hjälp av en nyutvecklad hologramberäkningsalgoritm. När det belyses med ljus av endera polarisationen, producerar detta kombinerade hologram målbilden för den handigheten på ena sidan, men med en lika och motsatt fasförskjutning mellan de två. Således omvandlas ljusets polarisering på ett definierat sätt vid varje punkt i den utgående vågfronten.
Genom att använda ingångsljus som innehåller en lika stor blandning av båda cirkulära polarisationerna kunde forskarna få de två holografiska bilderna att störa, vilket effektivt ger dem kontroll över den resulterande polariseringen på varje punkt – inklusive möjligheten att skapa punkter med linjär polarisation i vilken vinkel som helst. . Amplituden och fasförhållandet mellan de två cirkulära polarisationerna definierar ett polarisationstillstånd som spårar ut en bana på Poincaré-sfären, en grafisk representation av alla möjliga polarisationer, när hologrammet korsas.
Genom att använda denna polarisationskontroll som en extra grad av frihet, visade teamet flera anmärkningsvärda förmågor. De skapade en holografisk bild av en klocka där tim- och minutvisare projicerades med motsatta cirkulära polariseringar medan siffror kodades som specifika linjära polariseringar i olika vinklar, vilket krypterar hela tiden på ett sätt som endast avslöjas genom polarisationsanalys. Ännu mer slående, de genererade holografiska bilder av månen där både den rumsligt varierande amplituden och polariseringen kontrollerades samtidigt på ett helt godtyckligt sätt.
Genom att applicera ett elektriskt fält kunde forskarna ställa in och byta dessa holografiska projektioner i realtid, tack vare det dynamiska svaret från flytande kristallmolekylerna. De skapade till och med en holografisk video av en fotbollsspelare som tar en frispark, där olika temporala ramar multiplexerades i de linjära polarisationskanalerna och kunde ses i sekvens genom att rotera en polarisationsanalysator. Hela systemet visade sig vara mycket effektivt, med över 60 % av ingångsljuset omvandlades till den önskade holografiska vågfronten över hela det synliga spektrumet – ett nyckelframsteg jämfört med den smalbandiga karaktären hos metasytbaserade tillvägagångssätt.
Med detta banbrytande arbete har forskarna öppnat ett helt nytt paradigm för holografi med flytande kristaller. Deras polarisationsmultiplexeringsmetod utökar exponentiellt informationskapaciteten hos hologram och tillåter fullständig kontroll över rekonstruerade ljusfält. Enkelheten i deras enkelskiktsdesign kombinerat med flytande kristallers snabba respons och bredbandskapacitet gör deras plattform unikt lämpad för att skapa dynamiska holografiska skärmar. Holografisk video i fullfärg i realtid är nu inom räckhåll.
Framöver föreställer sig forskarna ett brett utbud av tillämpningar för deras vektoriell holografiteknologi. Krypterade holografiska bilder skulle kunna användas som en mångsidig ny plattform för säkerhet och anti-förfalskning. Holografiska projektioner kan möjliggöra nya förstärkta och virtuella verklighetsskärmar. Den godtyckliga kontrollen av både ljusets amplitud och polarisation kan möjliggöra nya typer av optiska fällor och manipulationer för biologisk forskning och nanomontering. När teamet förfinar sin tillverkningsprocess och skalar upp storleken på deras flytande kristall-hologram, är dessa och många fler möjligheter redo att bli verklighet.
Utvecklingen av den första enskiktiga flytande kristallanordningen som är kapabel till fullständig dynamisk kontroll över holografiska ljusfält är utan tvekan en landmärkeprestation. Genom att fullt ut utnyttja flytande kristallers flytande natur och kombinera amplitud- och polarisationskontroll i en enhetlig ram, har forskarna uppnått vad som tidigare ansågs omöjligt med flytande kristallholografi.
Schematiska illustrationer av skalär och vektoriell LC-holografi. a Skalär LC-holografi. Holografisk bild (en katt) rekonstrueras med en slumpmässig fasfördelning när den belyses av LCP-ljus. b Vektoriell LC-holografi. Vi multiplexerar rumsligt LC-hologrammen för LCP och RCP till ett enda LC-lager, som indikeras av blå och röda LC-direktörer. Två oberoende holografiska bilder (en katt utan svans och en katt utan huvud) genereras med rumsligt varierande amplituder och fasskillnader när de belyses av linjärt polariserat ljus. Dessa två bilder är delvis överlappade. Vektormönstret bestäms av både fasskillnadsfördelningen och amplitudförhållandet. eLight, (CC BY 4.0) Nyckeln till teamets innovation var att utveckla ett sätt att ta fullständig kontroll över flytande kristallmolekyler på en pixel-för-pixel-basis inom ett enda lager. De uppnådde detta genom att använda en digital mikrospegelanordning som en dynamisk fotomask, vilket gör det möjligt för dem att exakt definiera den molekylära orienteringen vid över en miljon punkter över det flytande kristallskiktet med en upplösning på ungefär en mikrometer. Genom att samtidigt kontrollera orienteringsvinkeln och den resulterande fasförskjutningen som ges vid varje pixel när en spänning appliceras, kunde forskarna holografiskt definiera ett målljusfält med fullständig kontroll över både amplituden och polariseringen av vågfronten vid varje punkt.
Med detta tillvägagångssätt kunde forskarna generera två helt oberoende holografiska bilder, en för vänster cirkulärt polariserat ljus och en för höger cirkulärt polariserat ljus. De kombinerade sedan genialiskt dessa två bilder till ett enda flytande kristallmönster med hjälp av en nyutvecklad hologramberäkningsalgoritm. När det belyses med ljus av endera polarisationen, producerar detta kombinerade hologram målbilden för den handigheten på ena sidan, men med en lika och motsatt fasförskjutning mellan de två. Således omvandlas ljusets polarisering på ett definierat sätt vid varje punkt i den utgående vågfronten.
Genom att använda ingångsljus som innehåller en lika stor blandning av båda cirkulära polarisationerna kunde forskarna få de två holografiska bilderna att störa, vilket effektivt ger dem kontroll över den resulterande polariseringen på varje punkt – inklusive möjligheten att skapa punkter med linjär polarisation i vilken vinkel som helst. . Amplituden och fasförhållandet mellan de två cirkulära polarisationerna definierar ett polarisationstillstånd som spårar ut en bana på Poincaré-sfären, en grafisk representation av alla möjliga polarisationer, när hologrammet korsas.
Genom att använda denna polarisationskontroll som en extra grad av frihet, visade teamet flera anmärkningsvärda förmågor. De skapade en holografisk bild av en klocka där tim- och minutvisare projicerades med motsatta cirkulära polariseringar medan siffror kodades som specifika linjära polariseringar i olika vinklar, vilket krypterar hela tiden på ett sätt som endast avslöjas genom polarisationsanalys. Ännu mer slående, de genererade holografiska bilder av månen där både den rumsligt varierande amplituden och polariseringen kontrollerades samtidigt på ett helt godtyckligt sätt.
Genom att applicera ett elektriskt fält kunde forskarna ställa in och byta dessa holografiska projektioner i realtid, tack vare det dynamiska svaret från flytande kristallmolekylerna. De skapade till och med en holografisk video av en fotbollsspelare som tar en frispark, där olika temporala ramar multiplexerades i de linjära polarisationskanalerna och kunde ses i sekvens genom att rotera en polarisationsanalysator. Hela systemet visade sig vara mycket effektivt, med över 60 % av ingångsljuset omvandlades till den önskade holografiska vågfronten över hela det synliga spektrumet – ett nyckelframsteg jämfört med den smalbandiga karaktären hos metasytbaserade tillvägagångssätt.
Med detta banbrytande arbete har forskarna öppnat ett helt nytt paradigm för holografi med flytande kristaller. Deras polarisationsmultiplexeringsmetod utökar exponentiellt informationskapaciteten hos hologram och tillåter fullständig kontroll över rekonstruerade ljusfält. Enkelheten i deras enkelskiktsdesign kombinerat med flytande kristallers snabba respons och bredbandskapacitet gör deras plattform unikt lämpad för att skapa dynamiska holografiska skärmar. Holografisk video i fullfärg i realtid är nu inom räckhåll.
Framöver föreställer sig forskarna ett brett utbud av tillämpningar för deras vektoriell holografiteknologi. Krypterade holografiska bilder skulle kunna användas som en mångsidig ny plattform för säkerhet och anti-förfalskning. Holografiska projektioner kan möjliggöra nya förstärkta och virtuella verklighetsskärmar. Den godtyckliga kontrollen av både ljusets amplitud och polarisation kan möjliggöra nya typer av optiska fällor och manipulationer för biologisk forskning och nanomontering. När teamet förfinar sin tillverkningsprocess och skalar upp storleken på deras flytande kristall-hologram, är dessa och många fler möjligheter redo att bli verklighet.
Utvecklingen av den första enskiktiga flytande kristallanordningen som är kapabel till fullständig dynamisk kontroll över holografiska ljusfält är utan tvekan en landmärkeprestation. Genom att fullt ut utnyttja flytande kristallers flytande natur och kombinera amplitud- och polarisationskontroll i en enhetlig ram, har forskarna uppnått vad som tidigare ansågs omöjligt med flytande kristallholografi.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64826.php
