一种刻划在SOI材料上的高密度图像显示技术

图像通常需要借助于显示器、打印机、胶片记录仪等图像输出设备显示。传统图像显示技术由于显示器件像元尺寸较大，导致图像分辨率低，难以产生更为复杂的图像信息，并且工艺复杂、体积大，已无法满足图像储存显示领域的微型化发展的要求，需要发展新的光学存储显示技术以适应目前光学系统日益微型化、集成化的新趋势。

最近，武汉大学的郑国兴课题组提出了一种刻划在SOI材料上的高密度图像显示技术。只需要对SOI材料进行一次光刻，即可将图像灰度信息存储在一片薄薄的毫米量级大小的SOI材料表面，且单个像素仅为300nm×300nm大小，图像分辨率高达84 667 dpi (dots per inch)。图像的观测手段较为简单，使一束线偏光入射到超表面，即可通过放大镜在反射方向观察到具有高清晰度的图像，并且使用不同的光源照明依然可以保持很好的清晰度。这种超表面结构简单而紧凑，可以克服传统图像显示技术系统复杂、像元尺寸大等固有缺陷，进而发展一种微型化、高分辨率、连续灰度调控的图像显示技术，在高密度光信息存储、高端产品防伪、信息加密等领域具有巨大的应用价值。

这种刻划在SOI材料上的微纳结构称为共振型超表面，由顶层硅纳米砖阵列、二氧化硅氧化层以及硅衬底共同构成。其中，硅纳米砖阵列由大小相同、方向角不同的长方体形纳米砖构成，纳米砖的长边、短边方向分别构成了长轴、短轴。硅纳米砖中发生的电磁共振可获得超高反射率，我们通过操控硅纳米砖的电磁共振，设计出了具有偏振分光功能的纳米砖，将入射光束分为两部分：入射光沿纳米砖长轴偏振的部分直接反射；沿纳米砖短轴偏振的部分进入硅衬底并被其吸收。每个纳米砖作用为一个微型起偏器，我们将其与马吕斯定律相结合，通过设计纳米砖阵列的方向角排布，实现了准确而连续的光强调制功能，并进而发展了一种具有高分辨率的连续灰度图像存储、显示技术。

作为实例，我们设计了一个大小为150μm×150μm的样片，以猫的照片为目标图像，给出了在不同偏振态入射光照射下的实验结果，只有在偏振方向沿水平方向时，才能观测到清晰的图像。这一结果与马吕斯定律相符，同时也证实了利用共振型超表面实现高密度图像显示的可行性。

上述成果发表在最近一期的Optics Express(“Ultracompact, high-resolution and continuous grayscale image display based on resonant dielectric metasurfaces”, Optics Express, 27(20), 2019: 27927-27935)上。该工作得到国家自然科学基金(11774273, 11574240, 61805184, 61640409, 61945006)、湖北省杰青(2016CFA034)等的资助。

论文地址：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-20-27927