南科大在AR光波導技術領域取得突破性進展

近日，聯(lián)盟理事長、南方科技大學納米科學與應用研究院執(zhí)行院長孫小衛(wèi)教授團隊在國際頂級學術期刊《Light: Science & Applications》上發(fā)表題為“An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays”的研究論文。該研究提出了一種創(chuàng)新的超表面光波導技術，首次從根本上解決了增強現(xiàn)實（AR）顯示中的色差問題，為AR顯示技術的發(fā)展開辟了新的方向。

在AR技術的演進過程中，顯示系統(tǒng)始終面臨著“更清晰”與“更輕薄”的雙重挑戰(zhàn)。從早期的反射鏡顯示到如今的光波導顯示，技術的每一次迭代都在向這一目標邁進。衍射光波導因其超薄特性，已成為HoloLens、Meta Orion等主流AR設備的核心技術。然而，色散效應導致的圖像失真問題一直是該領域的技術瓶頸。

圖1. 超表面光波導AR顯示系統(tǒng)示意圖

孫小衛(wèi)團隊通過創(chuàng)新的逆向設計方法，提出了一種全新的解決方案：利用超表面耦合器和單層高折射率光波導，成功攻克了色差難題。超表面是一種由人工納米結構組成的光學元件，能夠精確調控光的相位、振幅和偏振特性。研究團隊通過優(yōu)化超表面耦合器的幾何結構設計，確保RGB三色光在出射時具有一致的偏轉角度與耦合效率，從而有效消除了色差問題。

圖2. 傳統(tǒng)光波導與超表面光波導的對比。（a）傳統(tǒng)光波導通過一階衍射將光耦合到光波導中，導致波長依賴的偏轉角度；（b）傳統(tǒng)光波導的K矢量圖，重疊的全彩視場角較??；（c）超表面光波導通過高階衍射實現(xiàn)無色差的光耦合；（d）超表面光波導的K矢量圖，具有更大的全彩視場角。

這一技術突破不僅解決了傳統(tǒng)耦合器件的色差瓶頸，還為全彩光波導顯示提供了全新的技術路徑。超表面波導技術具備多項顯著優(yōu)勢：單層結構簡化了制造工藝，高折射率設計擴展了視場角，優(yōu)化的耦合效率確保了全彩顯示效果。這些特點使其在下一代AR設備中展現(xiàn)出巨大的應用潛力，標志著AR顯示技術即將邁入一個全新的發(fā)展階段。

圖3. AR全彩顯示效果。

該研究工作的第一作者為南方科技大學與鵬城實驗室聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生田仲韜，孫小衛(wèi)講席教授為唯一通訊作者。南方科技大學為第一通訊單位，鵬城實驗室為第二通訊單位。研究得到了國家科技部重點研發(fā)計劃和廣東省、深圳市等單位的資助支持。（來源：南方科技大學）