Affichage holographique 3D dynamique via des métasurfaces en cascade avec des cristaux liquides dispersés dans un polymère

Contexte académique

Les métasurfaces, en tant que structures bidimensionnelles sub-longueur d’onde, permettent une modulation locale de la phase et de l’amplitude du champ lumineux, offrant de nouvelles solutions pour la conception de dispositifs optiques miniaturisés. Cependant, la plupart des technologies d’affichage holographique basées sur les métasurfaces sont limitées à des caractéristiques statiques, incapables de moduler dynamiquement en temps réel, ce qui limite leur application dans les systèmes d’affichage intelligents. Pour répondre aux besoins d’affichage holographique 3D dynamique, les chercheurs ont exploré diverses techniques de métasurfaces actives, notamment les métasurfaces multiplexées, les métasurfaces à modification structurelle et les métasurfaces intégrées. Parmi celles-ci, les cristaux liquides (Liquid Crystal, LC), en tant que matériaux typiques de modulation du champ lumineux, sont largement utilisés dans la conception de métasurfaces actives. Cependant, les dispositifs LC traditionnels souffrent souvent d’un faible degré de liberté, d’une capacité d’information limitée, d’une vitesse de réponse lente et d’une diaphonie importante.

Pour résoudre ces problèmes, Sun et al. ont proposé pour la première fois un dispositif en cascade basé sur des cristaux liquides dispersés dans un polymère (Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC) et des métasurfaces à large bande, permettant un affichage holographique 3D dynamique avec un contraste ultra-élevé, une réponse rapide et une modulation continue. Cette recherche offre une nouvelle perspective sur la technologie d’affichage holographique dynamique basée sur les métasurfaces, avec une valeur scientifique et applicative significative.

Source de l’article

L’article a été co-écrit par Shuo Sun, Jin Li, Xiaoxun Li, Xianyu Zhao, Kun Li et Liang Chen, provenant respectivement du College of Optical and Electronic Technology de la China Jiliang University, de la School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering de la Beihang University, du National Institute of Extremely-Weak Magnetic Field Infrastructure Quantum Biology Science and Technology Center, de la School of Electronic Science and Engineering de la Southeast University et de Camoptics (Suzhou) Ltd. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering.

Processus et résultats de la recherche

1. Préparation et caractérisation des performances des dispositifs PDLC

La recherche a d’abord préparé des dispositifs PDLC avec un contraste élevé et une capacité de réponse rapide. Le PDLC est composé de cristaux liquides à faible poids moléculaire et de polymères à haut poids moléculaire, formant des gouttelettes de cristaux liquides par séparation de phase. En l’absence de champ électrique externe, les gouttelettes de cristaux liquides sont dispersées de manière aléatoire, provoquant une diffusion de la lumière ; tandis qu’en appliquant un champ électrique suffisamment fort, les gouttelettes de cristaux liquides s’alignent dans la direction du champ électrique, permettant à la lumière de traverser complètement le PDLC. Les chercheurs ont optimisé la tension de commande et la tension de saturation en contrôlant précisément l’épaisseur du PDLC (de 7 μm à 18 μm). Les expériences ont montré que le dispositif PDLC de 13 μm présente les meilleures performances sous un laser de 635 nm, avec une transmission minimale inférieure à 5 %, une transmission maximale supérieure à 80 % et un temps de réponse inférieur à 10 ms.

2. Optimisation des métasurfaces à large bande et à haute efficacité

Pour l’intégration avec les dispositifs PDLC à large bande, les chercheurs ont conçu et optimisé des métasurfaces basées sur du silicium amorphe (α-Si). En optimisant la taille des nanopiliers par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), une transmission croisée polarisée (CR-Transmittance) supérieure à 40 % a été obtenue sur tout le spectre visible. Les nanopiliers des métasurfaces ont été fabriqués par photolithographie et gravure, avec une période de 500 nm et une hauteur de 600 nm. En faisant tourner les nanopiliers, les métasurfaces couvrent une plage de phase complète de 0 à 360°, garantissant une qualité d’image holographique uniforme sur tout le spectre.

3. Affichage holographique à modulation continue basé sur PDLC-métasurface

Les chercheurs ont intégré le PDLC avec les métasurfaces en cascade pour construire un système d’affichage holographique 3D dynamique. En ajustant la tension pour moduler la transmission du PDLC, une modulation continue de l’intensité lumineuse des images holographiques a été réalisée. Les expériences ont montré qu’avec l’augmentation de la tension de 10 V à 30 V, l’intensité des images holographiques augmente progressivement, montrant un contraste ultra-élevé. De plus, les chercheurs ont développé un algorithme d’affichage holographique 3D basé sur des lentilles holographiques, générant des images holographiques à différentes profondeurs et couleurs via des lentilles holographiques virtuelles multicouches.

4. Affichage holographique dynamique multicanal à large bande et faible diaphonie

La recherche a ensuite préparé un dispositif d’affichage holographique 3D à adressage dynamique à quatre canaux. Chaque canal est contrôlé par des électrodes ITO indépendantes, permettant une commutation d’images holographiques à haut contraste. Les expériences ont montré que lorsqu’un canal est activé, sa transmission dépasse 80 %, tandis que la transmission des autres canaux est inférieure à 0,06 %, montrant une diaphonie extrêmement faible. De plus, en combinant des lasers de 473 nm, 532 nm et 635 nm, les chercheurs ont réalisé un affichage holographique 3D dynamique à large bande, avec des images holographiques passant dynamiquement du rouge au vert puis au bleu.

Conclusion et signification

Cette recherche a démontré expérimentalement pour la première fois un dispositif en cascade basé sur PDLC et des métasurfaces à large bande, permettant un affichage holographique 3D dynamique avec un contraste ultra-élevé, une réponse rapide et une modulation continue. En optimisant l’épaisseur du PDLC et la taille des nanopiliers des métasurfaces, les chercheurs ont réussi à construire un dispositif PDLC-métasurface à adressage automatique, à réponse rapide et multicanal, démontrant des effets de commutation d’images holographiques monochromes et d’affichage holographique en couleur. Cette méthode offre de nouvelles perspectives pour la technologie d’affichage holographique 3D dynamique, avec des applications prometteuses dans les domaines de la communication optique, du cryptage optique, du stockage optique et de la fabrication laser.

Points forts de la recherche

1. Innovation : Première intégration de PDLC avec des métasurfaces à large bande pour un affichage holographique 3D dynamique.
2. Haute performance : Les dispositifs PDLC offrent un contraste élevé (>80 %) et une réponse rapide (<10 ms), tandis que les métasurfaces montrent une transmission élevée (>40 %) sur tout le spectre visible.
3. Multicanal à faible diaphonie : Le dispositif d’affichage holographique dynamique à quatre canaux présente une diaphonie extrêmement faible, avec une transmission du canal activé dépassant 80 % et celle des autres canaux inférieure à 0,06 %.
4. Affichage à large bande : En combinant des lasers de différentes longueurs d’onde, une commutation dynamique des images holographiques entre le rouge, le vert et le bleu a été réalisée, montrant le potentiel de l’affichage holographique 3D dynamique à large bande.

Autres informations utiles

Cette recherche a été financée par le projet de plan scientifique et technologique provincial du Zhejiang, le programme de fonds pour les jeunes scientifiques exceptionnels du National Natural Science Fund (à l’étranger), les fonds de recherche de base pour les universités provinciales du Zhejiang et le 27e projet de recherche étudiant de la China Jiliang University. L’équipe de recherche a également décrit en détail les méthodes de fabrication des dispositifs PDLC et des métasurfaces, y compris le processus de polymérisation par séparation de phase du PDLC et la technologie de photolithographie et de gravure des métasurfaces, fournissant une base technique pour la production à grande échelle et les applications commerciales futures.