南开大学在基于铌酸锂晶体实现动态全息显示方面取得重要进展

MEMS 2022-12-28 00:00

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三维显示能够展现物体的完整信息，带给人们前所未有的临场感，在影视娱乐方面已率先取得成功，并在远程医疗、国防军事、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等领域表现出广阔的应用前景和巨大的经济价值。全息三维显示无需佩戴辅助设备观看，被公认为理想的、终极的三维显示技术，目前静态全息三维显示已经取得了长足进展，但动态全息三维显示技术还不成熟，仍面临计算全息数据量庞大、光学全息缺乏理想的光折变材料等诸多困难和挑战。

铌酸锂（LiNbO3，LN）是一种集电光、声光、压电、热释电和非线性光学效应于一体的多功能铁电晶体。在非线性谐振腔、调制器、永久性全息记录设备和片上集成光学的最新技术成就中发挥了突出的作用。作为一种经典的无机光折变材料，LN晶体具有稳定的物理化学性质，但也因为响应速度慢导致信息难以实现较快的动态刷新。为进一步提高掺铋铌酸锂晶体的光折变响应速度，显著提高基于铌酸锂晶体实现动态全息显示的刷新频率，南开大学孔勇发教授、许京军教授课题组结合理论计算设计铋、镁离子掺杂浓度，生长了一系列铋镁双掺铌酸锂晶体，研究结果表明掺铋2.0mol%，镁6.0mol%时，其光折变响应时间缩短到7.2ms，灵敏度达到646cm/J。搭建了基于铌酸锂晶体的全息显示光学系统，实现了刷新频率为60Hz的实时动态全息显示，有效降低显示材料的闪烁，减少观看者视觉疲劳，如图1所示。

图1 基于掺杂铌酸锂实现60Hz的实时动态全息显示图

图2 实时全息显示的光学装置

图3 本研究文章被OEA（光电进展）期刊选为封面

本研究成果为实时动态全息三维显示提供了候选材料，同时为高效调控铌酸锂晶体的非线性光学性能开辟了方向。该工作以“The real-time dynamic holographic display of LN:Bi,Mg crystals and defect-related electron mobility”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances（《光电进展》）2022年第12期。南开大学为第一完成单位，第一作者为博士生王烁琳，通讯作者为南开大学物理学院郑大怀副教授、刘宏德副教授、孔勇发教授，许京军教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、天津市科技局的资助。