北航团队联合打造超构全息技术，实现大视角、大深度的彩色3D重构

近日，北京航空航天大学王琼华教授团队联合合作者，将角谱衍射理论引入超表面全息图编码，设计并制备出一种大深度超表面结构。

该结构具有独立偏振调控的功能，将超表面全息重构的深度提升 47.5 倍，解决了现有 3D 超表面全息术难以同时实现大深度重构和偏振态独立控制的问题。

研究中，课题组将角谱衍射理论与超表面加以结合，使用超表面来记录物体的复振幅信息。

其中，右旋圆偏光和左旋圆偏光再现时的全部信息均被记录在超表面上，这让偏振复用的超表面全息图得以实现。

此外，本次成果在减少混叠的同时增大了重建深度，并实现了无色差全息，对于全息显示和虚拟现实有着重要意义。

据该课题组介绍，全息术能够精确地记录和重建 3D 物体的全部波前信息，并且没有辐辏-调节冲突，因此是最理想的 3D 显示技术之一。

而本次提出的 3D 超表面全息术，基于亚波长尺度的超表面结构，故能实现大视角、大深度、以及偏振可调的彩色 3D 重构，让全息技术的发展距离实际应用更近一步。

在显示、数据存储和信息安全等领域，大深度偏振可调的 3D 超表面全息术具有广阔的应用前景。

首先，有望用于光学防伪和光学加密。

在不同偏振态下针对不同的全息图样进行编码，就能在特定的偏振光下重建出指定的 3D 物体，从而能为信息的安全传输提供新思路，进而有望用于光学防伪和光学加密等领域。

其次，有望用于远程医疗诊断。

由于大深度 3D 超表面全息术能够精确地重建 3D 物体，并能准确地反映 3D 物体的相对位置关系，因此有望用于远程医疗诊断之中，为发展新型数字化医疗提供新角度。

再次，有望用于文博数字展览。

在文物展览方面，不少博物馆已经推出了数字展馆，而本次技术同样有望用于数字展览中，它能在保护文物的同时，将文物以生动精确的 3D 形象呈现给观众。

日前，相关论文以《分米深度和偏振可寻址彩色 3D 超表面全息术》（Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography）为题发在Nature Communications[1]。

王迪副教授和李移隆博士后是共同第一作者，中国科学院上海技术物理研究所冀若楠副研究员和北京航空航天大学王琼华教授担任共同通讯作者。

突破 3D 超表面全息重构时的深度限制

据研究人员介绍，全息术可以完整地记录和再现光场的振幅和相位信息，对于重建具有深度感和立体感的 3D 场景至关重要，在 3D 显示、显微成像、工业检测、加密以及存储等领域具有重要的应用前景。

超表面，是一种由纳米尺度的结构单元组成的二维材料。它可以调控光的相位、振幅、传播方向和偏振状态等，具有像素尺寸小、重量轻、光场调控灵活等优点，为全息术的发展提供了新思路。

大深度 3D 超表面全息术不仅能大大地提高信息存储量，还有利于区分 3D 物体的相对空间关系，因此在存储和医学诊断等领域具有重要价值。

传统的基于菲涅耳衍射理论的方法，虽然可以重构 3D 物体的真实深度信息，但是最大深度仅为 2 毫米，而毫米级的重构深度难以满足人眼对立体效果的感知需求。

因此，如何实现大深度 3D 超表面全息重构是一个亟待解决的问题。

而如何在实现大深度 3D 超表面全息重构的同时，还能实现偏振态的独立控制以便增加信息量，更是一个新的挑战。

总的来说，超表面的关键瓶颈在于它的被动调控特性，很有必要解决超表面的复用限制。

王迪表示：“我们团队的负责人王琼华教授一直致力于实现更新颖的全息术，以推动 3D 显示领域的创新发展。”

在王琼华的带领下，他们和中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究员团队（冀若楠副研究员所在团队）、以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学贾宝华教授团队，联合开展了本次研究。

旨在突破 3D 超表面全息重构时的深度限制，从而进一步推动全息技术的发展。

一项公开专利，促进一场合作

通过分析超表面全息图的编码过程、超表面材料的选择、以及优化实验光路对于深度的影响，研究人员尝试找到打破限制超表面全息重构深度的根本方法。

经过多次探讨和技术攻关之后他们发现：在超表面全息图的编码过程中，能否消除 3D 光场在传播过程中的频谱混叠，是实现大深度超表面全息术的关键所在。

于是，他们建立了一款基于超表面的角谱衍射理论模型，通过限制其中的传递函数，来避免欠采样操作导致的光场远距离传播的频谱混叠现象。

而要想打造具备独立偏振调控功能的超表面结构，对于全息图上的每个像素所编码的相位信息和偏振态来说，它们都需要与超表面的单元结构互相匹配。

经历长时间的调试之后，课题组完成了大深度超表面全息图的编码工作。

而在基于超表面样品进行全息重建时，他们遇到了很多意外的难题。

一开始，该团队使用的是传统的全息实验光路，但却发现无法观察到重建结果，实验进展一度因此停滞。

几经调试光路也没有关键进展，研究几乎陷入僵局。冀若楠在得知实验进展不顺利后，第一时间排查超表面制备方面的相关情况，多次调整超表面的制备材料。

同时，王迪同部门的同事李移隆博士，针对大深度超表面全息图编码算法进行反复验证，努力排除相关问题。

“记得有一个周末，由于光学实验调试一直不理想，大家的情绪都十分低落，王琼华老师看到之后，并没有忙完工作就立马回家休息，而是利用周末时间帮助我们一起分析原因。”王迪说。

后来，通过对全息算法中的参数进行逐个优化，以及对超表面材料进行调整，再加上不断地优化调整实验光路，他们完成了大深度偏振可调的 3D 超表面全息重建实验。

所提出的基于角谱衍射理论的大深度超表面全息图编码原理，也得到了实验结果的验证。同时，超表面全息图的偏振独立调控有效性也得到了验证。

据王迪介绍，本次课题的启动也得益于和合作者的“巧合”。

近年来，超表面全息术的快速发展引起了王迪所在团队的关注，然而他们团队并没有超表面制备的相关经验，想要开展超表面全息相关的工作就必须寻求合作。

后来，王迪所在团队的一项偏振全息术公开专利引起了冀若楠的关注。

经过初步交流之后，大家都对超表面全息的发展思路有着相同的见解，随后立马开展合作。

一方面，王迪所在团队在全息方向的研究已经持续了多年，有着丰富的研究基础。另一方面，冀若楠所在团队在高性能超表面制备方面有着大量研究经验。

“双方都很看好 3D 超表面全息的发展前景，大家有着共同的梦想，期待拓宽全息术在超表面中应用的可能性，以及实现新颖的超表面全息术。”王迪说。

正是这样的默契，让双方得以克服困难并顺利完成研究。而在实现大深度偏振可调的 3D 超表面全息术之后，他们也在思考如何拓展超表面全息重建深度的灵活度。

目前，已有的超表面全息技术都是在超表面编码时来预设重建深度，这导致超表面全息重建像的深度存在不可调的缺点，进而导致应用场景受到限制。

下一步，他们计划通过引入变焦透镜等技术，希望能够实现 3D 物体重建深度的连续可调，并能通过开拓更多的应用场景，推动超表面全息技术的进一步发展。

参考资料：

1.Wang, D., Li, YL., Zheng, XR. et al. Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography.Nat Commun15, 8242 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52267-9

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