全新光电子设备：OLED与全息超表面首次融合

近日，圣安德鲁斯大学物理与天文学学院的研究人员在《光：科学与应用》期刊上发表的研究成果，通过将全息超表面（HMs）与有机发光二极管（OLEDs）相结合，创造出一种全新的光电子设备。

有机发光二极管（OLED）是一种薄膜光电器件，具有制备工艺简单、重量轻和可调谐范围广等特点，因此被广泛应用于手机和电视显示器。作为平面型表面发射光源，OLED也被用于光学无线通信、生物光子学和传感等新兴应用领域，其与其他技术的集成能力使之成为实现微型化光子平台的理想选择，但其低空间相干性与宽光谱特性制约了全息投影等先进光场调控应用。

全息超表面则是由微小“超原子”构成的薄平面阵列，每个“超原子”的尺寸极小，约为头发丝直径的千分之一。这种特殊结构能够精确调控光的特性，用于制作全息图，广泛应用于数据存储、防伪、光学显示、高数值孔径透镜（如光学显微镜）及传感等领域。而此次研究，是首次将这两种技术结合，用于制造全息显示的基础组件。

研究人员发现，通过精细设计每个“超原子”的形状，可以使其控制穿过自身的光束特性，从而成为全息超表面的一个“像素”。当光线穿过全息超表面时，其特性会在每个“像素”位置发生细微变化。利用这些特性变化，结合光的干涉原理，就能在全息超表面的另一侧呈现出预先设计好的图像。

OLED照明全息图像投影系统的概念图以及在OLED照明下记录的三种具有不同空间相干性的全息图像

该研究的核心方法在于功能协同设计与纳米尺度集成：首先，利用OLED作为可电控的像素化面光源，提供动态的照明；随后，通过电子束光刻等纳米加工技术，将精心设计的超表面结构直接制备在OLED的出光面上。该超表面被赋予双重功能：其一作为超透镜（Metalens），将OLED发出的朗伯型发散光高效地准直为方向性良好的平行光，极大提升光能利用率；其二作为全息光学元件（HOE），对准直后的光波进行精确的相位调制，编码生成预设的全息图像。通过这种“光源-调控”一体化的协同设计，成功将一个庞大复杂的光学系统压缩至纳米薄膜尺度，实现了在单一超薄器件内同时完成动态光发射、光束整形和波前调控，最终演示了高效的动态全息投影。

最终实现效果，OLED在20 A/cm²驱动下亮度达3.2×10⁵ cd/m²，光谱峰值664 nm（FWHM 63 nm），加入滤波器后带宽降至10 nm；空间相干长度随距离从130 μm增至170 μm，5 cm距离下成功投射“斑点狗”全息图像，最小线特征300 μm，散斑对比度0.23（激光照明为0.81）。系统衍射效率27%，连续运行11小时无性能衰减，图像结构相似性指数（SSIM）较无滤波器提升43%。

基于此项研究，团队还提出了三项建议，首先是提升效率，必须协同优化OLED的发光效率（特别是蓝光器件）和超表面的光提取效率及衍射效率。建议探索等离激元增强、光学微腔等结构，使更多光子能被超表面利用。第二是实现真彩色显示，建议开发针对RGB三原色的超表面设计方法，可以通过单个超表面复用不同波长，或为每个OLED子像素设计对应的超表面单元，最终混合生成全彩全息图像。第三是解决串扰问题，在密集的像素阵列中，相邻OLED像素的光可能会被其邻居的超表面单元错误调制，导致串扰。建议在设计中引入光学隔离结构或开发创新的超表面布局算法。

圣安德鲁斯大学物理与天文学学院的伊弗·塞缪尔教授表示，他们很高兴能为OLED技术开辟这一新方向。将OLED与超表面结合，为全息图的生成及光调控提供了全新的思路。纳米光子学教授安德里亚·迪法尔科指出，全息超表面是调控光特性的最通用材料平台之一。这项研究扫除了阻碍超材料进入日常应用的关键技术障碍，将推动全息显示架构的升级。

格雷厄姆·特恩布尔教授补充道，传统OLED显示屏通常需要数千个像素才能呈现简单图像，而这种新方法仅用一个OLED像素就能投射出完整图像。在此之前，研究人员仅能利用OLED制作极为简单的图形，这限制了其在部分场景中的应用。而此次突破，为研发小型化、高集成度的超表面显示器提供了切实可行的路径。