据悉，这项工作扩展了软层次上层结构的构造，为智能全息提供了一个令人满意的开放式方案，激发了先进的显示、安全和通信。

摘要

作为一种公认的光学数据编码和提取技术，全息术在当今信息的小型化、多功能性和可调谐性方面面临着日益增长的追求。尽管在元全息图方面取得了令人瞩目的成就，但同时实现动态可调谐性和高维多路复用仍然至关重要，这成为这一新兴前沿领域的一个瓶颈。本文提出了一种创新的解决方案，将光在手性液晶中的有限穿透深度与其固有的刺激响应特性相结合。基于光活性手性掺杂剂和非对称光图案化边界约束自组织，同时制作了光激活光谱可调谐、偏振和方向相关全息图。作为信息技术的一个有希望的例子，我们展示了一种加密的信号光，其中波长、传播方向、光的螺旋度和反应持续时间作为信息解密的自定义密钥。这项工作扩展了软层次上层结构的构造，为智能全息提供了一个令人满意的开放式方案，激发了先进的显示、安全和通信。

1介绍

有效记录、多路复用、加密和读出大量数据是现代信息社会的先决条件。起源于上个世纪的全息术已经成为编码和重建某些物体的整个光学信息的一种重要技术。它可以为人类的视觉感知提供生动的3D观察，并在3D显示、信息技术甚至娱乐领域激发了非凡的应用。然而，传统的全息元件依赖于沿传播方向的相位积累，导致体积大、分辨率低和严重的波长依赖性。这仅仅是利用了全息技术所能提供的机会的一瞥。为了满足光子集成的趋势，具有超紧凑体积和特殊功能的超表面近年来成为一个热门话题。为了释放信息处理的容量并加强信息处理的安全性，人们发明了多种智能全息复用方案，包括波长、偏振、轨道角动量、和非线性复用。

方法和消色差相移示意图。（A）元全息图离轴照明方法示意图。（B）一幅花卉RGB图像的实验结果。（C）等离子体纳米线天线的结构。（D）从400 nm到750 nm波长，具有不同μ（单位弧度）的天线的相移性能的仿真结果。模拟设置：金属材质为Au；金膜厚度为120纳米；周期∧=200 nm；长度l=140 nm；宽度w=60 nm。

尽管取得了这些令人印象深刻的成就，但仍存在一些具有挑战性的问题，特别是在同时实现动态可调性和混合复用方面。一方面，扩展多自由度迫在眉睫。制作定向全息图仍然很难。另一方面，全息图的动态控制是关键，目前备受追捧。很少有人致力于使用可拉伸基板、电子印刷电路板、相变材料、和受控化学反应。严格的要求和高度复杂的实现使得同时实现主动可调和高维全息复用非常困难，尤其是在可见光区域。在可重构光学器件方面，液晶（LC）已被确定为最具吸引力的平台之一。特别是胆甾相液晶（CLC）由于其自组装手性光子晶体和圆极化选择性光子带隙（PBG）而引起了众多关注。最近，发现平面CLC以多色和偏振确定的方式调制反射几何相位。如果进一步利用CLC中有限的光穿透深度并引入其固有的刺激响应特性，则可以预期同时编码双向功能性和动态可调性的混合多路复用全息图。

在这项工作中，我们提出了基于手性可逆液晶超结构的可见光区光激活混合复用全息术。通过引入具有不对称光图案化边界的光敏手性分子，可以在可调谐宽带上高效地重建高质量的传播方向相关图像。光触发的中心对称全息图像（如笑脸或哭脸）之间的可逆切换也被证实对照明圆偏振具有高灵敏度。这种新方法将多个多路复用方案集成到一个设备中，促进了先进的全息显示、高容量信息存储和高安全性加密。作为信息技术的一个很有前景的例子，我们进一步用可变独立编码通道演示了加密信号光。

2结果和讨论

2.1设计原则

平面CLCs激发的圆极化选择性PBG显示在nop和nep之间，其中p分别是螺距，no/ne是普通/特殊折射率。与CLC上部结构具有相同手性的圆偏振光被完全反射，而正交的圆偏振光被透射。考虑到非均匀排列，反射光将被赋予一个额外的几何相位，该相位是CLCs局部入射面方向角的两倍，并显示手性决定符号。可以将不对称方向印在足够厚的CLC的初始和终端控制器上，从而实现与传播方向相关的光束整形。在这里，为了实现主动多路复用全息图，我们进一步利用这种软物质的多功能刺激响应性来利用这些奇异的光学特性。CLC的螺距甚至惯用手对电场、热处理和光照都很敏感。

图1示意性地说明了所提出的动态和混合复用全息术。一开始，用不对称排列编码的左手CLC反射左圆偏振（LCP），并在相反方向照明下重建双向全息图像（如哭脸和“2018”）。而右圆极化（RCP）是完全传输的，由于传输过程中没有几何相位调制，因此不会生成图像。通过紫外光刺激，原始手性超结构逐渐反转为右手，伴随着连续可调的PBG。因此，具有期望工作频带的RCP被反射，并且几何相位调制的符号从+翻转到−. 在这种情况下，分别生成中心对称图像（例如，笑脸和“8102”）。通过抽运紫光或绿光，这种光学寻址全息图是可逆的。该设计将多种复用方案集成到单个全息图中，包括传播方向、螺旋度、入射光波长和外部刺激时间（即反应持续时间）。

图1动态和混合复用全息图。对紫光和绿光驱动的手性可逆液晶超结构的反手性分别进行了标记，得到了中心对称的重构图像。红色/黄色箭头表示具有不同波长的入射光和反射光。与上层和基板相邻的LC控制器以橙色突出显示。LCP，左圆极化；RCP，右圆极化。

2.2光激活混合全息复用

通过将静态掺杂剂R5011和手性相反的偶氮苯手性分子ChAD-3C-S掺杂到向列相主体中，可以获得所需的手性可逆CLC超结构。由于缺乏光异构化基团，R5011的吸收光谱在紫外光照射下没有明显变化。而ChAD-3C-S对紫光和绿光敏感，这可以通过其吸收光谱进行验证。在泵浦光照射下，CLC上部结构的螺距不断调整，并且由于ChAD-3C-S的光异构化反应，惯用手可逆反转，如图2a所示，并通过相应的可变透射光谱进行验证。作为第一个示例，在CLC全息图的正面和背面分别编码了两幅带有哭脸和阿拉伯数字“2018”的图像。这两种相位剖面都是使用经典的Gerchberg–Saxton（GS）算法计算的，该算法广泛应用于纯相位全息术。为了避免零阶对重建图像的影响，采用了离轴设计，从而大大提高了信噪比。

图2动态CLC全息图的组成和图像。a） ChAD-3C-S和R5011混合物的光定向手性反转的机理说明。插图：ChAD-3C-S光异构化反应示意图。b，c）理论导向分布和b，d）超高速和c，e）底物的d，e）反射图像。从黑色到白色的颜色变化表明方向在0°到180°之间变化。先后标记了紫外光的辐照时间和实时手性。所有比例尺均为100μm。

图3a说明了表征CLC全息图性能的实验装置。为了研究其多色性和偏振选择性行为，采用了超连续谱激光器、声光可调谐滤波器、偏振器和四分之一波片分别控制入射波长和偏振态。反射的衍射图像被投影到远场的屏幕上，并由可见光摄像头捕捉。图3b，c显示了在相反照明方向下的全息重建。正如所预测的那样，只有达到一定穿透深度的入口手征超结构才能影响反射光，并且计数器表面几乎是不可见的。在紫光刺激之前，LCP的发病率上生成了清晰的高质量图像（即哭脸和“2018”），没有任何重叠或扭曲，与理论计算很好地匹配。转换效率（定义为重建图像与全反射的强度比）高达66%，这得益于纯相位调制。而对于RCP，只能观察到一个薄弱点，这主要归因于菲涅耳反射。

在CLC超结构的手性反转之后，RCP被反射并经历共轭相位剖面，从而形成具有高保真度的对称分布的离轴图像，即笑脸和“8102”。中心对称点正是零级反射光的位置。随着紫外光的照射，可用光谱带从近红外区向绿色区移动。应该提到的是，图像大小随成像距离和调制波长线性增加。对于线偏振入射光，与CLC具有相同手性的圆偏振分量被反射并形成全息图像，而相反的圆偏振分量透射并形成亮点。

图3动态CLC全息图的光学特性。a）光学设置。声光可调谐滤波器；QWP，四分之一波片；BS，非极化分束器。b、 c）在b）前照和c）后照条件下，不同紫外光照射时间下的反射衍射图像。依次标记入射光的波长和偏振状态，顺时针/逆时针指示RCP/LCP。

2.3光信息加密

光密码技术由于其固有的将众多独立的编码通道结合在一起从而提高安全性的能力，已成为信息安全和反盗版技术中最重要的方法之一。在这里，以光折变方式实现高维全息复用必将促进先进的光学信息处理和加密。作为原理验证应用，图4精心设计并演示了加密信号灯。传统信号灯的四个方向信息（图4a）都加密到一个CLC设备（图4b）中，并发送到多个接收器。收到后，可以根据自定义密钥对其解密并读取不同的信号，这些密钥由关于辐照时间、波长、螺旋度和传播方向的特定信息组成。

如图4c-f所示，这样一个相同的样本可以被提取到不同的全息图像中，也就是说，用相应的键被破译成多条消息。例如，紫色2 s、650 nm、LCP和前照灯的键2显示了一个红色向右箭头（图4d），表示“请勿右转！”。键4会出现一个绿色向左箭头（图4f），表示“向左走！”。此外，许多其他具有复杂信息的图像，包括莫尔斯电码和字母，都可以进行加密和解密，为信息存储和处理提供了一种高密度、高安全性的方法。

图4加密信号灯。a）传统信号灯示意图。b） CLC密文超速率和基底上的期望导子分布及其理论重构。从黑色到白色的颜色变化表明方向在0°到180°之间变化。c–f）不同的自定义密钥和各自解密的光学信息，在每个图像和反射衍射图像中标记实时手性和圆偏振状态。所有比例尺均为100μm。

通过采用高分辨率光图案化系统和优化的数值算法，可以提高转换效率和伴随纯相位全息图的散斑噪声。与其他刺激相比，由于无线操作方便、无创性和高远程分辨率的优势，光控制通常更可取。在强光照射下，这些全息图的响应时间可以达到二级。这满足了潜在应用的概念验证要求，但由于偶氮手性分子的整个螺旋结构必须逐渐展开，因此很难得到显著改善。其他刺激响应材料，如电调谐CLC，是进一步加速某些实际应用的开关过程的有力候选材料。通过进一步引入具有弱热弛豫和降解的手性掺杂剂，并优化封装，可以显著延长稳定性和重复性。也可以采用其他手性光子结构。

多像元全息图。（A至C）RGB图像图案的花全息图的模拟结果。（D至F）分别对应于红色、绿色和蓝色图像图案的实验结果。（G到I）中国地图RGB全息图，由花图像的同一全息图亚面以不同的光入射角再现。

3结论

总之，我们展示了一种通过光驱动手性可逆液晶超结构实现动态和混合复用全息术的新方案。非对称边界约束下的快速自组织与内在外部刺激响应的协同作用，将全息工程提升到了前所未有的水平。产生了光谱可调谐、螺旋度选择性和双向可见光全息图，具有质量高、效率高和可逆性好的优点。作为原理验证应用，提出了一种加密信号灯，可以将其解密为定制的方向消息。这项工作涉及与当前静态元全息相关的几个关键问题，可能是在单个全息图中同时实现动态和高维复用的一个令人满意的解决方案。这种新颖的开放式策略是向前迈出的重要一步，可能会激发全息显示、高容量和高安全信息技术的多方面应用。

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