Группа ученых из известного Калифорнийского технологического института предложила  новый метод, которого позволил закодировать на одной условно плоской поверхности более одного голографического рисунка без потери качества и разрешения. В основе этой голографической технологии лежит уникальная способность специально спроектированной наноструктурированной поверхности отражать свет по-разному в зависимости от угла падения светового луча. Данное достижение является опровержением устоявшегося мнения о том, что одна поверхность может содержать только одно голографическое изображение, которое не зависит от угла падающего на поверхность света. Напомним нашим читателям, что голограммы – это трехмерные изображения, закодированные в двухмерной плоскости. Когда плоскость голографической поверхности освещается светом, этот свет отражается от нее и за счет явления интерференции становится видимым, воссоздавая закодированное трехмерное изображение.

В традиционных голографических технологиях угол падения света не играет особой роли, закодированное изображение становится видимым вне зависимости от этого угла.

Исследователи из Калифорнийского технологического института, возглавляемые Андреем Фараоном (Andrei Faraon), достаточно давно занимаются исследованиями и разработкой голографических технологий, в которых используются поверхности из диоксида кремния и алюминия, на которых создаются десятки миллионов крошечных столбиков, высотой всего в сотни нанометров. Каждый из таких столбиков отражает свет по-разному, и это свойство зависит от формы, размера столбика, и, теперь, от угла падающего света.

Последняя особенность наностолбиков позволяет им выступать в качестве пикселя более чем одного изображения. Один и тот же столбик может быть черным пикселем по отношению к свету, падающему на него под углом в 0 градусов, и белым – по отношению к свету, падающему под углом в 30 градусов. “Каждый столбик может выполнять двойную функцию. И это позволяет нам закодировать более одного изображения на одной поверхности без потери разрешающей способности” – рассказывает Андрей Фараон.

Это не первая попытка ученых закодировать два изображения в одной поверхности, однако раньше ученые пытались удвоить количество наностолбиков, одни из которых формировали одно изображение, другие – второе. Но, как нетяжело догадаться, такой подход всегда приводил к потере разрешающей способности воспроизводимых трехмерных изображений.

Процесс создания “двойных голограмм” достаточно трудоемок. Для этого исследователи создали обширную библиотеку наностолбиков различной высоты, размеров и формы, которые отражают падающий на них под разными углами свет по-разному. И, при помощи этой библиотеки исследователи пиксель за пикселем создали структуру поверхности, содержащей два голографических изображения. Первым изображением была эмблема Калифорнийского технологического института, которую можно было увидеть при помощи света, падающего под углом в 0 градусов. А изображением, видимым при помощи света, падающего под углом в 30 градусов, была эмблема исследовательского центра Light-Material Interactions in Energy Conversion Energy Frontier Research Center.

Данная технология, в теории, позволит закодировать в пределах одной поверхности три и большее количество отдельных изображений. Однако на практике такого достичь будет совсем непросто, этому будут мешать целый ряд технологических и фундаментальных физических ограничений. Но у технологии создания мульти-голограмм, в том виде, в котором она уже существует сегодня, имеется ряд возможных применений в области виртуальной и дополненной реальности. “До появления таких технологий на массовом рынке пройдет еще немало времени. Наши же нынешние достижения являются только первой демонстрацией того, что это возможно” – рассказывает Андрей Фараон.

Для любознательных: Магия углов и метаповерхностей: как физики научились шифровать десятки голограмм на одном стекле

Долгие годы голография ассоциировалась у нас с защитными наклейками на банковских картах, переливающимися календарями из детства или фантастическими трехмерными проекциями из «Звездных войн». Но у классических голограмм всегда было жесткое физическое ограничение, продиктованное самой природой света: одна поверхность — одно статичное изображение. Классическая фотопластинка фиксирует интерференционную картину раз и навсегда. Если вы хотели получить новую картинку, вам требовалась другая пластинка, сложная система подвижных линз или громоздкие механические переключатели.

Сегодня физика плоской оптики переживает настоящую революцию. На смену объемным линзам и статичным стеклам приходят «умные» поверхности, способные легким движением лазерного луча полностью менять проецируемые изображения. То, что начиналось как лабораторный эксперимент по кодированию двух разных голограмм на одном стекле, сегодня превратилось в глобальную технологическую гонку, где счет каналов идет на десятки. Как устроена эта технология изнутри, почему она переворачивает наши представления об оптике и какое место в этом субмикронном противостоянии занимают исследователи из России и ведущих мировых центров?

Секрет внутри наномасштаба: что такое метаповерхности?

Чтобы понять, как на одном квадратном миллиметре прозрачного стекла можно уместить несколько независимых высокочетких изображений, нужно заглянуть в наномир. Традиционная оптика (линзы, призмы) управляет светом за счет его преломления при прохождении через толщу материала. Метаповерхности работают принципиально иначе: они изменяют свойства световой волны прямо на границе раздела сред, на дистанциях, которые в сотни раз тоньше человеческого волоса.

Метаповерхность представляет собой плоскую подложку, усеянную миллионами крошечных наноантенн, которые физики называют нанопостами или наностолбиками. Высота, ширина и геометрия каждого такого столбика исчисляются сотнями нанометров. Поскольку эти размеры меньше длины волны видимого света (которая составляет от 400 до 700 нанометров), свет не «замечает» отдельные элементы как препятствия, а воспринимает всю структуру как единую среду с искусственно заданными, уникальными свойствами.

В обычной голографии каждый пиксель статично рассеивает свет в соответствии с зафиксированной на нем фазой. В метаповерхностях каждый наностолбик — это полноценный «оптический трансформер». Ученые рассчитывают геометрию, поворот и взаимное расположение этих элементов таким образом, чтобы они управляли тремя главными параметрами световой волны индивидуально:

Благодаря такой многозадачности один и тот же наностолбик может служить пикселем сразу для нескольких независимых картинок. Всё зависит от «входных данных» — того, под каким углом, с какой поляризацией или на какой длине волны (каким цветом) на него падает лазерный луч. Физически пиксели не делят пространство между собой (что снизило бы разрешение вдвое или втрое), они накладываются друг на друга в виртуальном пространстве параметров света. Этот метод получил название мультиплексирования.

Мировой контекст: от двух логотипов до «мультиплекса» из 62 картинок

Первые прорывные шаги, доказавшие жизнеспособность этой концепции, сделали исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech). Используя диэлектрические метаповерхности из кремния на подложке из оксида кремния, они разработали угол-мультиплексированную структуру. На ней были зашифрованы два разных изображения — логотип самого университета (Caltech) и эмблема их исследовательской лаборатории (LMI).

Принцип демонстрации был изящным и простым:

1. Направляя лазер строго перпендикулярно поверхности (угол 0°), наблюдатель видел на экране четкий первый рисунок. Геометрия нанопостов была рассчитана так, что при таком угле падения они создавали нужную фазовую задержку для первой картинки, а свет для второй гасили.
2. Стоило наклонить лазерный луч под углом в 30 градусов, как эффективный путь света через наностолбики менялся. Та же самая структура мгновенно перестраивала фазовый фронт волны, и на экране проступал второй логотип без малейшей потери четкости или разрешения.

Эксперимент Caltech открыл шлюзы для сотен лабораторий по всему миру. Началась гонка за плотностью записи информации и количеством независимых каналов:

А что в России? Отечественный вклад в оптику будущего

Российская академическая школа традиционно удерживает лидерские позиции в области оптики и лазерной физики. Достаточно вспомнить, что именно советский физик Юрий Денисюк в 1962 году совершил революцию, объединив голографию с методом цветной фотографии Липмана и записав первую в мире высококачественную трехмерную голограмму, видимую в обычном белом свете.

Сегодня российские ученые активно работают на переднем крае нанофотоники, решая сложнейшие фундаментальные задачи и создавая прикладные технологии для интеграции многоканальных голограмм в реальный сектор экономики.

1. Скоростная лазерная печать метаповерхностей (ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН)

Одной из главных проблем метаоптики во всем мире остается дороговизна производства. Традиционная электронно-лучевая литография, применяемая на заводах по производству микросхем, работает медленно и стоит миллионы долларов. Физики из Дальневосточного федерального университета и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток) совершили прорыв, предложив использовать вместо литографии метод прямой фемтосекундной лазерной записи.

Они разработали уникальную технологию создания метаповерхностей на основе эффекта «связанных состояний в континууме» (BIC — Bound states in the continuum). Нанося золотые наноструктуры специальной формы прямо на электроды микросхем с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, они научились буквально «запирать» свет внутри структуры, усиливая оптические сигналы в 100 тысяч раз. Эта технология позволяет создавать недорогие подложки для многоканальных голограмм, которые могут переключаться под воздействием слабого электрического тока, что открывает путь к их использованию в потребительской электронике.

2. Прямая запись на металлы и новые материалы (Университет ИТМО)

Ученые из Санкт-Петербургского Университета ИТМО сфокусировались на практическом применении многоканальной голографии в индустрии защиты брендов и ценных бумаг. Традиционно голограммы печатаются на тонких полимерных пленках, которые затем наклеиваются на товар или документ. Такую наклейку можно повредить, содрать или подделать на аналогичном оборудовании.

В ИТМО разработали метод лазерно-индуцированного плазмохимического окрашивания и наноструктурирования, который позволяет записывать индивидуальные защитные голографические паттерны прямо на поверхность практически любого металла — от нержавеющей стали до титана. Наноструктуры выжигаются лазером непосредственно на детали смартфона, часах или элементах двигателя. За счет прецизионного контроля формы получаемых наноканавок, такая поверхность способна отображать одну голограмму (например, серийный номер) при обычном свете, и совершенно другую (секретный водяной знак или QR-код) — при освещении лазерной указкой под строго определенным углом.

3. Квантовая голография и защита данных (НИЯУ МИФИ и МГУ)

Еще одно важнейшее направление исследований российских физиков — это слияние метаповерхностей с квантовыми технологиями. В Московском государственном университете и НИЯУ МИФИ ведутся работы по созданию квантовых метаповерхностей.

Вместо мощных классических лазеров наши ученые используют источники одиночных и запутанных фотонов. Изменяя квантовое состояние (запутанность и поляризацию) одиночных частиц света при их прохождении через структурированную нанопластину, исследователи создают динамические квантовые голограммы. Элементы такого изображения невозможно перехватить или скопировать: согласно законам квантовой механики, любая попытка несанкционированного измерения «разрушит» волновую функцию света, и скрытый голографический канал (например, криптографический ключ) просто сотрется.

Где мы увидим это завтра?

Инженерам больше не нужно собирать громоздкие «бутерброды» из стеклянных линз, призм и светоделительных кубов. Тончайшая пленка с метаповерхностью способна заменить собой целую оптическую лабораторию. В ближайшие годы эта технология кардинально изменит несколько ключевых сфер нашей жизни: