可见光波段全介质自旋复用与方向复用超全息图的演示

能够生成多个全息图像的多功能超表面全息图，是实现真实世界超紧凑全息显示应用的关键平面光学器件。为了生成复用型金属全息图，我们采用一种直接的方法，该方法可根据光速和传播牵引条件的不同，呈现两种不同的全息图像。要理解其复用金属全息图的装置，对 fabrication 过程、光学表征以及测量步骤的功能演示同样至关重要。

本实验操作将由来自我实验室的博士生 Dasol Lee 演示，Inki Kim 参与示范。为通过扫描电子显微镜表征图案沉积情况，将导电聚合物滴加到基底上，并以每分钟 2000 转的速度旋涂 1 分钟。使用导电胶带将基底固定在样品台上，然后按下通气按钮，使装载锁室通气。

将样品台支架放置到气锁腔的持杆上，按下 EVAC 以抽空气锁腔。设置样品台高度和倾斜角度时，将 Z 传感器设为 8 毫米，T 传感器设为 0 度。按下 OPEN 按钮打开气锁腔门，推动持杆将样品台支架转移至主扫描电子显微镜腔室。

拉出金属杆，然后按下“CLOSE”按钮。检查真空状态，按下执行按钮，通过瞬时高电压去除电子枪中的碳或灰尘。在显微镜软件中点击“Blink on”，以五千伏的加速电压启动电子枪，然后点击“beam alignment”以调整光束对中，将电子束精确定位于中心位置。

使用载物台控制器将电子束定位在中心，点击光阑对中以调整光阑，调节消像散器对中，使电子束呈圆形。使用消像散控制器使电子束稳定地扫描在同一位置，并在适当聚焦和消像散调节下采集扫描电子图像。当所有图像采集完成后，点击“关闭”以关闭电子束，然后点击“回原点”使载物台返回初始位置。

当样品台就位后，打开主腔室的门，推动推杆以取回样品 holder。按下充气按钮，对装载锁腔室进行放气，然后卸下样品 holder。进行光学表征时，使用自旋复用金属全息图，将二极管激光模块连接到适配器上，该适配器可插入一英寸光学支架，并使用支撑杆和支撑杆夹具调节二极管激光器的高度。

使用夹具固定位置，并使用一个一英寸的旋转支架安装半波片。将半波片置于激光模块前方，以旋转线偏振光，并将两面反射镜分别安装到独立的一英寸运动学支架上。为调整初始光束的方向，在激光器前放置一个准直盘，并设定激光器的高度。

调节两个反射镜，使光束以交替的方向连续发生两次90度的偏转，并将准直盘放置在靠近第二个反射镜的位置。旋转旋钮使光束对准准直盘中心，以调整第一个反射镜的角度，然后将准直盘移至远离第二个反射镜的位置。再次旋转旋钮使光束对准准直盘中心，以调整第二个反射镜的角度。

重复调整光路，直至光线在两个位置均通过准直圆盘的中心，然后在反射镜后放置一个中性密度滤光片以控制光强。在中性密度滤光片后放置一个可调光阑，以控制入射光的光束直径。将一个线性偏振片和一个四分之一波片分别安装在各自的旋转调节架上，并在光阑后依次放置线性偏振片和四分之一波片，以产生圆偏振光。

将制备的金属表面固定在带孔的平板上。将平板安装在用于矩形光学元件的XY平移调节架上，并调节XY平移架，使光线对准样品中的图案。在金属表面后放置一个透镜，并调整透镜位置，使其位于焦距处。

然后在透镜后放置一个电荷耦合器件相机，以捕获全息图像。进行光学表征时，使用方向复用的超表面全息图。在四分之一波片和XY平移支架之间放置一个分束器，将光束分成两个方向。

然后在XY平移架和透镜之间放置另一个分束器。放置两面反射镜，使光束以90度角连续偏转两次，且方向交替变化，并调节光束使其进入第二个分束器。最后，调整光路，使光束以相反方向正确照射样品，并在第一个分束器右侧90度位置放置另一透镜。

然后放置一个电荷耦合器件相机，从相反方向捕获全息图像。要获得清晰的自旋特征以及确定两个全息图像的放置方向，最佳方法是精确对准多个光学元件。在此扫描电子显微镜图像中，可以观察到制备的氢化非晶硅金属表面。

一种自旋复用的金属全息图可通过简单地翻转入射圆偏振光的手性来切换投射的全息图像。不同的金属表面会产生不同的响应，这取决于光是左旋还是右旋圆偏振。因此，根据输入光束的偏振态，信息科学技术大学和Rho实验室的全息图像能够以高保真度实现实时切换。

方向复用超表面全息图可通过改变入射光方向来切换投射的全息图像。例如，当光从基底侧正向入射时，可观察到全息的 Rho lab 图像；当光从超表面侧反向入射时，则可观察到全息的信息技术大学图像。

由于预测图像的清晰度对偏振态和瞬时光线的方向非常敏感，因此元件的对准对于生成清晰的全息图像尤为重要。我们计划开发一种主动式金属全息图，将这种多路复用的金属全息图与主动材料平台相结合，以通过外部刺激轻松改变投影的全息图像。