表面等离子体动态全息显示技术研究

The holographic display technology provides a true three-dimensional depth information, and the displayed image is consistency with that the human eyes seen in the real world， which is considered to be the most promising 3D display technology in the future. However, due to the reference light is space propagation electromagnetic modes (such as a plane wave, spherical wave),it is hard to separate the zero order diffraction from the reconstructed wavefront. Thus the image reconstruction from the current LCD or digital micromirror (DMD)-based hologram is generally ruined. In this project, a holographic display method by using surface plasmon polaritons (SPPs) as the reference light is proposed. SPPs is an evanescent electromagnetic mode which only propagates along a metal dielectric interface and cannot enter the human eye. This effectively eliminates influence of the zero order diffraction. By studying the interference of SPPs with light scattered from objects and the transformation mechanism of SPPs into the propagating electromagnetic field in the space, the recording and reconstruction holographic model and the corresponding computational holographic theory when the reference light is SPPs will be established. By exploring the designing and the fabrication of the SPPs holographic displaying device consisting of electro-optic materials and noble metal nanofilm,a whole set of SPPs-based holographic dynamic display technology will be established ultimately. This technology is compatible with the integrated optics technology and it has great potential to become the next generation of flat panel 3D display technology.

全息显示可提供三维空间真实的深度信息，显示的图像与人眼观看真实三维世界的形式一致，是最具前景的三维显示技术。然而，目前基于液晶或数字微镜的全息动态显示技术在图像再现过程中采用了空间传播电磁模式（如平面波、球面波）作为参考光进行照明，难以实现零级与再现波前的分离，使得成像效果受到干扰变差。本项目提出利用表面等离子体激元（SPPs）作为全息显示的参考光，由于SPPs是一种倏逝电磁模式，它只沿金属与电光材料界面传播，无法进入人眼，可有效消除零级衍射的干扰。通过研究SPPs与物体散射光的干涉以及SPPs与电光材料耦合向空间传播电磁场的转化机制，建立SPPs作为参考光实现全息记录与波前再现的物理模型和相应的计算全息理论。探索贵金属纳米膜与电光材料相结合实现动态三维显示的结构设计与实验制备方法，最终形成一套基于SPPs的全息动态显示技术。该技术与集成光学工艺兼容，有望成为下一代的平板三维显示方案。

现有全息显示方法采用空间传播电磁场作为参考光，存在零级衍射干扰问题。表面等离子体基元（SPPs）全息以传播于金属界面的表面电磁场作为再现电磁场，可望解决这一问题，实现一种平板的全息显示。本项目主要在三个方面开展了探索研究：第一，在理论上，探索了金属-电光材料界面处SPPs的激发与传播规律，研究了空间物光波同SPPs的干涉理论，包括点光源及平面波分别与表面等离子体的干涉光强分布，建立了SPPs作为参考光的全息记录物理模型和全息图的计算方法，为SPPs全息显示奠定了理论基础；第二，提出了折射率调制和偏振态调制两种动态SPPs全息显示方式。对于折射率调制型SPPs动态全息显示，通过全息图的频谱分解，建立了正弦折射率分布的空间光调制器的空间相对位置、周期、折射率差等参数与全息图频谱分量的振幅和相位间的关系，给出了空间光调制器的折射率分布与全息图复振幅间的关系，为SPPs全息显示提供了理论支撑；采用严格耦合波理论分析了空间光调制器的结构参数对衍射效率的影响，获得了空间光调制器的优化设计。对于偏振态调制型SPPs动态全息显示，研究了具有高衍射效率、高分辨率的超表面全息原理，提出了一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息新方法，分析了棒长度为波长一半的金属纳米天线，其入射光偏转角与出射交叉极化偏振光的振幅、相位关系，理论上实现了两相位的动态调制；第三，开展了折射率调制SPPs动态全息理论的实验验证，仿真分析了液晶像素周期及液晶盒厚度对液晶像素电极间的边缘场效应的影响，确定了液晶空间光调制器的结构设计，完成了SPPs液晶空间光调制器的制作，获得了与理论相符合的实验结果。本研究验证了表面波作为参考光的动态全息显示原理，将SPPs全息研究由静态拓展到动态显示，为实现新型平板无零级干扰的全息显示进行了有益的探索。