非局部超表面区分增强现实平台

  使用传统的AR眼镜，佩戴者实际看到的外部场景与佩戴者想要可视化的情境信息在质量和亮度方面存在权衡。早期的解决方案使用多个笨重的光学元件，这些元件部分反射和部分透射，以混合现实世界和上下文场景，结果是两个场景的视觉变暗和失真。

  虽然最近的AR头戴式显示器眼镜图案带有衍射光栅 - 波长尺寸间距将上下文信息从眼镜旁边的迷你投影仪偏转到观众的眼睛 - 但这些眼镜仍然变暗并扭曲了外部场景，因为。现实世界中穿过玻璃的光不可避免地会被光栅散射和分散。当必须使用几组重叠的光栅来处理来自微型投影仪的多种不同颜色时，失真会变得更糟。

       AR显示屏玻璃在几乎整个可见光谱上必须高度透明，允许外部世界无痕和无失真的视觉，并且还充当高效透镜，将来自微型投影仪的光线聚焦到人眼中，以形成伴随外部现实世界场景的视觉环境。

  哥伦比亚大学工程与应用科学学院（Columbia Engineering）的研究人员现在已经发明了一种玻璃，这种玻璃有望在AR眼镜中的应用。在物理学和应用数学副教授余南芳的带领下，该团队创造了一种平面光学器件，该器件仅聚焦少数选定的窄带色光，同时在绝大多数光谱上对未选择的光保持透明。

       “我们已经建造了一个非常酷的平面光学设备，看起来完全透明 - 就像一块简单的玻璃 - 直到你用正确的波长照射一束光，当设备突然变成一个透镜时，”纳米光子学研究的领导者Yu说。“对我来说，这是光学的

图示显示了具有多功能非局部超表面的增强现实头戴式设备作为光学透视透镜的操作。由余南芳、斯蒂芬妮·马利克、亚当·奥弗维格/哥伦比亚工程公司友情提供。

       Yu的团队开发基于超表面的平面光学器件。超表面的一个关键特征是，它们所制造的2D纳米结构，即称为光学天线的光“散射体”，在光学上都是不同的。它们散射的光可以具有不同的振幅、相位或偏振，因此超表面可以引入空间变化的光学响应，从而以极其灵活的方式控制光。因此，超表面可以实现传统上需要3D光学元件或具有更大尺寸的设备的功能，例如聚焦或转向光束，或在集成的光子芯片上切换光信号。

       Yu的团队创造了一个“非局部超表面”，可以在  不同的目标波长上以不同的方式操纵光波，同时使非目标波长的光不受影响。这些设备通过选择一种颜色并将其聚焦在单个波长上，而且独立地聚焦在多个不同波长上，从而对光进行空间和光谱控制。

  例如，一个演示的设备既可以作为收敛透镜，将光线聚焦在一种颜色上，也可以作为凹透镜，以第二种颜色分散光线，同时在光谱的其余部分用颜色照亮时保持透明，就像一块无图案的玻璃板。

顶行：图示显示了波长选择性超透镜的操作，“绿色”光被聚焦，而其他颜色则不失真（左）。由蚀刻成硅薄膜（中间）的矩形孔组成的波长选择性超透镜的光学图像。超透镜中心和边缘的扫描电子显微镜（SEM）图像（右）。底行：一系列二维远场扫描表明，聚焦在共振中心λ = 1590 nm处最有效，聚焦效率在共振的两个肩部下降，λ = 1575 nm和1600 nm，并且焦点在距离共振中心数十纳米的波长处变得几乎无法检测到。由余南芳、斯蒂芬妮·马利克、亚当·奥弗维格/哥伦比亚工程公司友情提供。

  这些器件的起源可以追溯到研究合著者Adam Overvig的理论探索，研究如何操纵光子晶体（PhC）板的对称性，例如2D周期性结构，它是在硅薄膜中定义的方形孔的方形阵列。 已知PhC板支持一组模式，其频率或颜色由板的几何形状（例如，阵列的周期性和孔的大小）决定。这些模式本质上是一片沿楼板在空间上延伸（非局部）的光，但以其他方式限制在垂直于楼板的方向上。

  将对称性破坏扰动引入其他结构重复的PhC板会降低PhC的对称程度，从而使模式不再局限于板坯。现在，它们可以通过用正确的颜色照射来自自由空间的光束来激发，也可以辐射回自由空间。

  研究人员没有在整个PhC板上施加均匀的扰动，而是在空间上改变了扰动，将矩形孔沿着设备的不同方向定向。通过这种方式，来自设备的表面发射可以具有相对于矩形方向角图案的模制波前。

        “这是第一次有人使用基于对称性破坏扰动的方法实验性地证明波长选择性，波前整形光学器件，”Yu小组的博士生，该研究的主要作者Stephanie Malek说。仔细选择初始PhC几何形状使该团队能够实现波长选择性。根据Malek的说法，通过定制应用于PhC的扰动的方向，该团队可以雕刻所选颜色的光的波前，并制造出仅聚焦所选颜色的光的透镜。

  波长选择性、波前整形的“非局部”超表面为AR技术提供了一个有前途的解决方案，包括汽车前挡风玻璃上的平视显示器。该镜头能够在微型投影仪的选定窄带波长下将上下文信息反射到观看者的眼睛，同时还允许对现实世界进行无遮挡，无磨损的宽带视图。

顶行：显示三功能超透镜双峰操作的插图（左图）。双面体能够在三个不同的波长上产生三种不同的焦距图案（两条彼此正交的焦距线和一个星形焦点），同时在其他波长下保持透明。双晶由准径向超透镜作为发散元件和双功能圆柱形超透镜作为收敛元件组成。准径向超透镜和双功能圆柱形超透镜（中间）的光学图像。显示准径向超透镜和双功能圆柱形超透镜（右）的角的扫描电镜图像。底行：一系列2D远场扫描，显示l = 1424 nm，1492 nm和1626 nm处的三个焦点图案，以及光谱其余部分的最小波前成形。由余南芳、斯蒂芬妮·马利克、亚当·奥弗维格/哥伦比亚工程公司友情提供。

  由于波长选择性 超表面 镜片比人类头发更薄，因此它们非常适合开发外观和感觉都像舒适时尚的眼镜的AR护目镜。超 表面 也可用于大幅降低操纵超冷原子的量子光学设置的复杂性。由于必须独立控制不同波长的多个激光束以冷却，捕获和监测冷原子，因此这些设置可能会变得巨大。

  这种复杂性使得研究人员很难广泛采用冷原子用于原子钟、量子模拟和计算。现在，无需在真空室周围为冷原子建造几个端口，每个端口都具有独特的光束整形光学组件，而是可以使用单个 超表面 设备同时塑造实验中使用的多个激光束。

  本研究中的器件使用纳米结构硅薄膜同时独立地控制多个近红外光束的波前。该团队接下来计划在可见光谱范围内演示该概念，使用具有可见光中低吸收损耗的器件平台（例如薄膜氮化硅和二氧化钛）完全控制三个窄带可见光激光束的波前。它还通过在单个超表面上包含两个以上的扰动并将两个以上的超表面堆叠  到复合器件中来探索波长选择性超表面平台的可扩展性。