全息图包含特定波前的幅度和相位信息，用于产生相应的远场衍射光学全息图像，其中光偏振，轨道角动量和空间强度可以精确地调整和控制。因此，全息技术已成为任意光束成形和预设图像记录和重建的有潜力的方法，在光学通信，光学镊子，数据存储，信息安全和三维显示等领域有着广泛的应用。引入转换频率作为额外自由度的非线性全息技术最近引起了人们的极大关注，而不是线性全息术，以满足对高密度光学存储，光学信息安全和生物医学成像不断增长的需求。
传统的非线性全息装置主要使用过渡金属二硫化物（TMD）调制的二次非线性光学材料，如铁电晶体，但是，这些庞大的非线性晶体与芯片光子集成不相容。
等离子体表面的出现为非线性全息图厚度降至几十纳米提供了重大突破。然而，非线性等离子体超曲面全息图具有低转换效率，高吸收损耗和小激光损伤阈值，这阻碍了它们的实际应用。最近，已经证明，由硅谐振器组成的介电三次谐波产生（THG）超曲面全息图通过使用Mie共振将非线性转换效率提高了2个数量级，但这些全息图的厚度为数百纳米，由于Mie散射的性质不太可能达到深亚波长尺度。从这个角度来看，具有几个nm / V（比普通非线性晶体高几个数量级）的高二阶非线性磁化率（χ（2））的原子级薄过渡金属二硫化物（TMD）单层已经在集成非线性光学中引起了很大的兴趣。
近日，密苏里科技大学的杨晓东课题组报道了一种非线性过渡金属二硫化物（TMD）全息图，具有高转换效率和原子厚度，仅由单个纳米图案的钨二硫化物（WS2）单层制成，用于在二次谐波（SH）频率中产生光学涡旋光束和艾里光束以及重建复杂的全息图像。通过产生SH涡旋光束和二维-Airy光束来说明全息图的光束成形能力。非线性TMD全息图的转换效率明显高于先前报道的超曲面全息图。此外，观察到与TMD单层相关的谷对比物理学提供对所产生的SH光束的输出偏振态的确定性控制。不仅是WS2，而且这个概念也可以用于其他类型的TMD和二维材料。此外，TMD单层也具有高三阶非线性磁化率。因此，相同的TMD全息图可以很容易地扩展到其他非线性光学过程，如THG，四波混频，求和以及频率产生等。该成果以“Atomically Thin Nonlinear Transition Metal Dichalcogenide Holograms”为题发表在Nano Letters上。非线性TMD全息图的概念不仅为在原子水平上理解光与物质的相互作用铺平了道路，而且将基于原子厚度的功能性TMD器件集成到下一代光通信、高密度光学数据存储和信息安全的光子电路中提供了可能性。
研究人员使用设计的二进制振幅计算机生成的全息图（CGH）对WS2单层进行图案化，以编码所需波前的相位和幅度，并且相应的SH光学图像在远场的傅里叶平面上进行衍射。通过使用聚焦离子束（FIB）将计算的二元振幅CGH图案直接在c切割蓝宝石衬底上的化学气相沉积生长的WS2单层中研磨。
图1 产生具有TC = 2,3的SH涡流和艾里光束。（a）SEM图像和（b）WS2单层上制造的CGH的SH图像，用于产生SH涡旋，拓扑电荷（TC）=±2。（c，e）SH涡流的远场图像在+1和-1的衍射顺序和（d，f）分别表示TC为+2和-2的相应柱面透镜图像。（g-l）产生SH涡旋的实验结果，TC =±3。（m）在WS2单层上用立方相调制制造的CGH的SEM图像，用于产生2D-Airy光束。（n）相同全息图的SH图像。（o）SH Airy光束的远场图像为±1的衍射顺序。通过将所有产生的SH涡旋光束和Airy光束的实测光强分布与理论计算的光强分布进行拟合，验证了非线性TMD全息图的准确性。
图2 重建复杂全息图像。（a）原始对象的图像，即“光”一词的中文字符。（b）具有200×200像素的计算二进制幅度CGH图案，其中暗部和亮部分别表示0和1幅度值。（c）以±1的方式形成的原始图像的数值重建。（d）在25×25μm2的区域中在WS2单层上制造的全息图的SEM图像和（e）黄色虚线方形区域的放大视图。（f）在SH波长450nm处形成的原始图像的光学重建。由重建图像上的黄色虚线矩形突出显示的区域用于测量图像的平均强度，而由白色虚线矩形突出显示的区域用于测量平均背景噪声。（g）在415,505和520nm的SH波长处重建的全息图像。
最后，使用非线性TMD全息图进一步证明了复杂全息图像的重建。通过对图像执行不规则相位和幅度信息的离散傅立叶变换来获得设计的二进制幅度CGH。
论文链接：
https://phys.org/news/2019-08-world-thinnest-optical-hologram-d.html
