第一作者：王迪 、李移隆

通讯作者：冀若楠、王琼华

通讯单位：中国科学院上海技术物理研究所、北京航空航天大学

论文DOI：doi.org/10.1038/s41467-024-52267-9

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该论文提出了一种基于角谱衍射理论的3D超表面全息术，突破了超表面全息的深度极限。通过将角谱衍射理论引入到超表面全息中，设计并制备了具有独立偏振调控功能的大深度超表面结构。所制备的非晶硅超表面将重建深度范围提升了47.5倍，在可见光波段实现了深度为0.95分米的偏振3D全息重建。该技术有望应用于数据存储、信息安全和显示等领域中。

背景介绍

全息术能完整记录和再现任意物体的光波前信息，在医疗成像、显示、加密等领域有着重要的作用。随着微纳技术的发展，亚波长尺度的超表面结构因像素尺寸小、重量轻、光场调控灵活等优点，为超表面全息的发展提供了新思路。在3D超表面全息重建过程中，随着传播距离增大，物体的空间频率会发生混叠，从而限制了重建深度。尽管基于菲涅耳衍射理论的方法可以重构3D物体的真实深度信息，但最大深度仅为2毫米。然而，毫米级的重建深度难以满足人眼对立体效果的感知需求。目前，如何实现大深度的3D超表面全息术是亟待解决的问题。

研究出发点

为实现大深度3D超表面全息术，北京航空航天大学王琼华教授团队与上海技术物理研究所陆卫研究员团队、皇家墨尔本理工大学贾宝华教授团队合作将角谱衍射理论引入到超表面全息中，设计并制备了具有独立偏振调控功能的大深度超表面结构，从而突破了深度限制并扩大了信息容量。

所提出的3D超表面全息图的计算过程如图1所示。首先，对于两个不同的3D物体I和II，基于角谱衍射理论分别计算其初始复振幅信息T_LCP和T_RCP，以得到超表面全息图I和II，分别用于左旋圆偏光重建和右旋圆偏光全息重建。在复振幅的计算过程中，研究人员对传递函数进行限制，以避免大深度3D超表面全息重建过程中的频谱混叠，从而打破深度限制。为了减少相邻相位之间的干扰，使用逐行交替插入的方式将超表面全息图I和II编码成合成全息图T，然后利用误差扩散算法进行相位优化，从而得到最终的超表面结构所需的相位分布。最后，基于几何相位控制的原理，设计超表面结构，超表面单元由制备在石英衬底上的矩形非晶硅纳米棒组成，其中，奇数行对左旋圆偏光敏感，偶数行对右旋圆偏光敏感，从而实现对不同偏振态的独立控制。

图1  3D超表面全息图的计算过程

使用扫描电子显微镜所获取到的不同倍率的超表面结构图像如图2a-b所示，所制备的超表面结构的分辨率为5000×5000，非晶硅纳米棒的长、宽、高分别为210 nm、400 nm和90 nm，周期为300 nm。实现大深度偏振可调的3D超表面全息的实验光路如图2c所示，使用波长为671 nm的激光进行全息重建，使用相应波长的偏振片和四分之一波片来转换入射光的偏振状态，所计算的超表面全息图的相位分布如图2d所示。

图2   3D超表面全息的实验光路与器件表征。a-b不同倍率下的超表面结构；c大深度偏振可调的3D超表面全息的实验光路；d 超表面全息图相位分布

所提出的偏振可调3D超表面全息重建效果如图3所示。字母“N”和“U”被用作左旋圆偏振状态对应的被记录3D物体I，字母“O”和“C”被用作右旋圆偏振状态对应的被记录3D物体II。其中，字母“N”和“O”的重建距离为3 mm，字母“C”和“U”的重建距离为70 mm。当入射光束为左旋圆偏光时，在衍射距离为3 mm和70 mm处，字母“N”和“U”分别聚焦；当入射光束为右旋圆偏光时，在衍射距离3 mm和70 mm处，字母“O”和“C”分别聚焦，如图3a所示。字母“N”和“O”聚焦时的强度分布如图3b所示，当进一步改变入射光的偏振态时，得到了在不同偏振状态下的重建结果，如图3c所示，实验结果证明，所提出的大深度偏振可调的3D超表面全息具有良好的重建质量。

图3   3D超表面全息重建结果。a 大深度偏振可调的3D超表面全息实验结果；b 重建距离为3 mm时的强度分布结果；c 重建距离为3 mm时不同偏振态下的重建结果

为了进一步验证所提出的基于角谱衍射理论的大深度3D超表面全息术的优势，使用所提方法与传统的基于菲涅尔衍射理论的超表面全息图算法分别进行仿真重建，对比结果如图4a所示。对字母“N”和“U”设置不同的深度，随着深度的增加，所提方法能够在分米级深度实现正确重建，而传统算法的仿真结果受衍射串扰的影响严重。此外，由于超表面结构具有宽光谱响应特性，所提出的3D超表面全息术在可见光范围内实现了不同颜色的偏振3D全息重建，如图4b-d所示。

图4   大深度彩色3D超表面全息重建。a 大深度超表面全息仿真结果；b 彩色超表面全息重建示意图；c 超表面结构在不同波长下的透过率；d 彩色3D超表面全息重建结果。

总结与展望

该研究提出了一种具有大深度、高信息容量和偏振可调功能的超表面全息术。通过将角谱衍射理论引入超表面全息图的编码中，将重建深度范围增加了47.5倍。同时，设计了具有独立偏振调控功能的超表面结构，在可见光范围内实现了大深度偏振3D超表面全息重建，且不同偏振态的再现像之间没有衍射串扰。所提出的3D超表面全息术有望应用于数据存储、信息安全和显示等领域中。在未来的研究中，多偏振态复用技术和动态超表面技术的结合有利于进一步扩大信息维度，推动超表面全息的进一步应用。

主要作者介绍

王迪，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授、小米青年学者、中国光学工程学会光显示专委会执行秘书长和中国光学学会全息与光信息专委会委员，从事全息3D显示技术研究。主持国家级及省部级项目6项，在Nature Communications、Light:
Science & Applications等国际权威期刊上发表SCI收录论文70余篇，合著专著《液体光子器件》，研究成果被Science等顶级期刊引用和正面评价，授权中国发明专利43件且9件实现成果转化，授权美国发明专利1件。

李移隆，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士后，研究方向为3D显示技术。主持国家自然科学基金青年学生基础研究项目1项，在Light: Science & Applications等期刊上发表SCI收录论文10余篇，ESI热点论文1篇，ESI高被引论文2篇，申请中国发明专利8件，其中授权6件，申请国际发明专利2件，授权美国专利1件。

冀若楠，中国科学院上海技术物理研究所副研究员，中国科学院百人计划入选者，主要从事微纳光子学器件及应用方面的研究。主持国家及省部级项目7项，作为核心骨干参与国家重点研发计划、国家863等多项国家级及省部级项目，撰写Elsevier出版社手册等章节1章，在Science Advances、Advanced Functional Materials等期刊上发表SCI论文50余篇，授权国家发明专利5件。

王琼华，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国际信息显示学会、美国光学学会、国际光学工程学会、中国光学学会和光学工程学会会士、PhotoniX等期刊编委和国家重点研发计划等项目负责人。研究方向为显示与成像技术。研制了裸眼光场3D显示器、全息3D显示系统、液体透镜和连续光学变焦显微镜等。获得国家技术发明二等奖等科技奖励，获准160余件美国和中国发明专利，出版科学出版社书籍3部，发表SCI收录论文350余篇。1988-2001年在电子科技大学获得学士、硕士和博士学位，1995-2001年在电子科技大学任助教、讲师和副教授，2001-2004年在美国中佛罗里达大学光学学院任Research Scientist，2004-2018年在四川大学任教授和博士生导师，2018年至今在北京航空航天大学任教授和博士生导师。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52267-9