Complessa capacità di modulazione della luce spaziale di un doppio strato in

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8277 (2022) Citare questo articolo

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Il complesso modulatore spaziale della luce (SLM), in grado di controllare simultaneamente l'ampiezza e la fase delle onde luminose, è una tecnologia chiave per un'ampia gamma di tecnologie ondulatorie, compresi i display tridimensionali olografici. Questo articolo presenta un complesso modulatore di luce spaziale a pannello piatto costituito da doppi pannelli a cristalli liquidi a commutazione in piano con ingressi di tensione a doppio grado di libertà. L'architettura proposta presenta una modulazione della luce complessa a livello di pixel singolo che consente una modulazione della luce complessa nell'intero spazio libero, che è in netto contrasto con le tecniche di modulazione complessa convenzionali basate su macro-pixel. La sua complessa capacità di modulazione della luce è verificata con simulazione teorica e caratterizzazione sperimentale e con una ricostruzione dell'immagine olografica tridimensionale senza rumore coniugato. Si ritiene che il complesso SLM a pannelli piatti proposto possa essere un dispositivo essenziale per un'ampia gamma di tecnologie ottiche ondulatorie avanzate.

La sintesi del campo d'onda è una tecnologia fondamentale. Il modulatore spaziale della luce (SLM), un dispositivo essenziale che modula direttamente il fronte d'onda dell'onda luminosa, fornisce un modo di sintesi e modifica del campo d'onda a livello di progettazione. La tecnologia dell'olografia digitale come l'imaging olografico e il display olografico sono il campo rappresentativo che trae vantaggio dalla tecnologia SLM1,2,3,4,5,6. Inoltre, gli SLM sono stati ampiamente utilizzati per le tecnologie ottiche delle onde come la guida del fascio7, le comunicazioni ottiche8,9, la microscopia avanzata e l'imaging biomedico10,11.

Le prestazioni di modulazione degli SLM rappresentano un limite fondamentale alle prestazioni complessive delle tecnologie basate sull'ottica ondulatoria. Ottenere la controllabilità della distribuzione del campo ottico ondulato con alta efficienza e basso rumore è altamente auspicabile in comune per SLM di tipo a trasmissione e SLM di tipo a riflessione12,13,14,15,16,17. Lo sviluppo della tecnologia SLM è stato portato in varie direzioni, ad esempio pannello a cristalli liquidi di tipo a trasmissione1,2,11,18,19, cristallo liquido a riflessione su silicio (LCoS)5,8,20, micro digitale a riflessione -dispositivo a specchio (DMD)4,10 e la metafotonica attiva recentemente emergente SLM21,22,23. Sebbene siano stati introdotti numerosi approcci SLM con modulazione di ampiezza o di sola fase, la maggior parte soffre di diversi tipi di problemi di rumore, come rumori DC e coniugati12,24,25. Numerose ricerche hanno tentato di superare questi problemi. Alcuni approcci implementavano sistemi aggiuntivi per filtrare i rumori26,27 ma la maggior parte rendeva il sistema meno efficiente o ingombrante. Altri approcci ben noti stanno codificando un ulteriore algoritmo di progettazione di ologrammi generati dal computer (CGH) in un SLM di sola fase25,28,29, ma hanno reso il sistema dispendioso in termini di tempo o offrono la modulazione solo in un campo limitato. È stato concordato che la soluzione fondamentale per superare questo problema è una vera e propria modulazione della luce complessa, che significa il controllo simultaneo sia dell'ampiezza che della fase in un singolo livello di pixel.

In particolare, il complesso SLM, che modula l'ampiezza e la fase della luce incidente, è altamente applicabile a numerosi campi dell'ingegneria con applicazioni di visualizzazione. Il complesso SLM è fondamentale per i display olografici digitali tridimensionali (3D)30. Recentemente, la visione olografica avanzata basata sulla realtà aumentata per il metaverso o la realtà mista e la tecnologia di calcolo ottico emergente come tutte le reti neurali ottiche sono diventate i promettenti campi di applicazione della complessa tecnologia SLM21,31,32,33,34.

Tuttavia, una soluzione pratica al complesso SLM è stato un problema impegnativo per diversi decenni. Si dovrebbe prendere in considerazione la sfida di realizzare SLM LC a pannello singolo con caratteristiche di modulazione complesse perché sono necessari almeno due gradi di libertà di controllo indipendenti, come due elettrodi di tensione controllabili indipendentemente, per modulare separatamente l'ampiezza e la fase della luce. L'integrazione di due elettrodi di tensione indipendenti in un'unica struttura di pannello LC non è consentita dall'attuale infrastruttura di produzione di LCD.