南科大在AR光波导技术领域取得突破性进展

近日，联盟理事长、南方科技大学纳米科学与应用研究院执行院长孙小卫教授团队在国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》上发表题为“An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays”的研究论文。该研究提出了一种创新的超表面光波导技术，首次从根本上解决了增强现实（AR）显示中的色差问题，为AR显示技术的发展开辟了新的方向。

在AR技术的演进过程中，显示系统始终面临着“更清晰”与“更轻薄”的双重挑战。从早期的反射镜显示到如今的光波导显示，技术的每一次迭代都在向这一目标迈进。衍射光波导因其超薄特性，已成为HoloLens、Meta Orion等主流AR设备的核心技术。然而，色散效应导致的图像失真问题一直是该领域的技术瓶颈。

图1. 超表面光波导AR显示系统示意图

孙小卫团队通过创新的逆向设计方法，提出了一种全新的解决方案：利用超表面耦合器和单层高折射率光波导，成功攻克了色差难题。超表面是一种由人工纳米结构组成的光学元件，能够精确调控光的相位、振幅和偏振特性。研究团队通过优化超表面耦合器的几何结构设计，确保RGB三色光在出射时具有一致的偏转角度与耦合效率，从而有效消除了色差问题。

图2. 传统光波导与超表面光波导的对比。（a）传统光波导通过一阶衍射将光耦合到光波导中，导致波长依赖的偏转角度；（b）传统光波导的K矢量图，重叠的全彩视场角较小；（c）超表面光波导通过高阶衍射实现无色差的光耦合；（d）超表面光波导的K矢量图，具有更大的全彩视场角。

这一技术突破不仅解决了传统耦合器件的色差瓶颈，还为全彩光波导显示提供了全新的技术路径。超表面波导技术具备多项显著优势：单层结构简化了制造工艺，高折射率设计扩展了视场角，优化的耦合效率确保了全彩显示效果。这些特点使其在下一代AR设备中展现出巨大的应用潜力，标志着AR显示技术即将迈入一个全新的发展阶段。

图3. AR全彩显示效果。

该研究工作的第一作者为南方科技大学与鹏城实验室联合培养博士研究生田仲韬，孙小卫讲席教授为唯一通讯作者。南方科技大学为第一通讯单位，鹏城实验室为第二通讯单位。研究得到了国家科技部重点研发计划和广东省、深圳市等单位的资助支持。（来源：南方科技大学）

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