一种可编程百万像素级的光学纳米剪纸矩阵

近日，北京理工大学物理学院/光电学院李家方教授团队成功制备出一种可编程百万像素级的光学纳米剪纸矩阵，实现了高对比度自由编码的光学信息加密与显示，并探索了其在机电可重构微型光学投影方面的应用潜力，为微型显示、光电芯片、智能机器视觉以及高光谱图像传感等领域提供了新的研究思路。该创新成果于近期发表于Advanced Materials上。

像素化可寻址调控的微光学阵列是实现自由定制光场操控的关键，可为发展下一代微型显示器、微型光谱仪、集成光子芯片以及光探测微模块提供技术基础。同时，AR/VR显示、光学神经网络及高性能光电探测等技术的发展也高度依赖于微型光学单元的像素级编程调控能力。因此，在微纳尺度上实现兼具大调制深度、高分辨率单元、多像素数量以及自由可编程的二维矩阵化调控具有重大意义但仍面临挑战，从而制约了高性能像素化光学器件和集成系统的应用发展。

针对这一难题，基于机电可重构技术的纳米剪纸阵列成为一种潜在的解决方案。纳米剪纸结构基于纳米尺度的“二维剪裁+三维形变”原理，具有二维到三维的可控形貌变换能力。相比微米及介观尺度的结构变换，纳米剪纸技术凭借先进的结构设计与纳米制造策略可在纳米尺度上获得高精度、高均一的光学调控阵列。但是，新近发展的机电纳米剪纸阵列还不具备高光学对比度、大像素数量下的自由可编程能力，而这些特性正是大规模像素化微型光学器件与集成系统的迫切需求。

图1. 可编程光学纳米剪纸矩阵设计示意图。

为填补此技术空缺，北理工团队创新地开发了一种可寻址编程的百万像素级机电可重构光学纳米剪纸矩阵（图1）。该设计基于一种可变形折线构型单元，大幅提升了信息加密与显示的光学对比度，实现了基于两种结构编码的多幅定制图案隐藏与再现，其单元周期仅为2.5μm，为空间光调制器件及系统（如微型显示器、光电芯片、智能机器视觉、高光谱图像传感器等）的微型化设计提供了重要的技术参考。

在信息编码显示实际应用中，实现单个像素的独立实时编程操控具有重要意义。为展示此功能，研究团队基于多线程寻址（Multi-Line Addressing, MLA）策略提出了一种高对比度像素化机电可重构设计。集成纳米剪纸矩阵与可编程电极的光电调控芯片成功实现了10,000像素的自由可编程光学显示，为高性能多功能微型显示器件研究提供了新的技术途径。

为进一步展示超大像素规模纳米剪纸矩阵的制备及编程可行性，研究团队采用螺旋型纳米剪纸设计制作了低电压驱动的条带型光电调控芯片。受限于实验条件，该芯片仅包含200条独立顶层电极，但每条电极上包含有19,350个螺旋型纳米剪纸单元，这使得芯片的可形变像素总数达到了破纪录的3,870,000，超过了1440p的QHD像素数量（四倍高清为3,686,400像素）。为验证其可编程调控功能，实验进一步演示了其光学信息传输特性，以摩斯代码加密显示和光学“钢琴演奏”示例。此外，研究团队还利用自建的光学投影仪演示了定制图案和百万像素纳米剪纸矩阵的光投影显示功能，展示了光学纳米剪纸阵列在微型光学器件方面的应用能力。未来有望结合时空编码及高速控制技术，为多功能空间光调制芯片提供新的应用场景。

图2.基于纳米剪纸矩阵的自由可控光学投影演示。

综上所述，本工作创新地设计了高占空比纳米剪纸构型，成功构筑了百万像素集成光学纳米剪纸矩阵，实现了机电可编程、超大像素规模、超小像素单元的光学信息加密与显示，为微型显示、光电芯片、智能机器视觉以及高光谱图像传感等领域的创新发展提供了新颖的研究思路和技术途径。

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73647