一块超薄材料同时变出62张全息图，全息技术天花板被彻底撕碎！

一块超薄材料同时变出62张全息图：东南大学团队用"时空编码"打破全息技术的容量天花板
几十年来，工程师们一直在追求一个梦想——用光构建出逼真的三维世界。全息图技术通过精确控制光波的形状和传播方向，能够产生3D或2D图像。如今，全息技术已广泛用于物体成像、物理测量、证件防伪，甚至走进课堂成为可视化教学工具。
然而，一个顽固的瓶颈始终横亘在前：‌现有技术每次只能生成一张全息图。‌ 若想同时显示多张独立图像，就必须增加"全息通道"，但通道越多，图像质量越差，刷新速度也越慢。这意味着，全息技术长期被锁在"单通道"的牢笼里，无法满足智能显示、虚拟现实和下一代通信对高容量的迫切需求。
直到中国东南大学的研究团队，用一块超薄材料，彻底撕开了这道枷锁。
灵感：从一个算法发现一个新世界
"我们的研究灵感来源于智能显示、虚拟现实（VR）以及下一代通信等应用领域对高容量全息系统日益增长的需求，"论文共同第一作者马向Tech Xplore表示。
传统全息成像依赖偏振、波长或轨道角动量等多维复用技术，但在容量和可重编程性方面存在根本性限制。可编程超表面虽然为波前的动态控制开辟了新可能，但迄今为止大多数基于超表面的系统每次也只能生成一张高质量全息图像。

马和他的同事们意识到，问题的突破口藏在一个意想不到的地方——时空编码。
"我们研究的灵感实际上来自我们在时空编码优化算法方面的工作，"马解释道，"我们发现，当将一种称为格赫伯格-萨克斯顿（GS）算法的技术应用于时空编码时，其收敛速度极为高效。这让我们意识到，时空域本身具有大量并行维度——每个谐波阶数都能承载独立的信息。随后我们想到，这种巨大的并行性可以被用于全息成像，从而实现多个全息通道的同时生成。"
这个发现，让团队看到了一片全新的天地。
原理：让光"弹奏和弦"
这项技术的核心思想，可以用一个优雅的比喻来理解：‌让超表面在时间上"演奏和弦"。‌
具体来说，马和同事们意识到，时空编码机制——一种将单频入射波分解为多个谐波光束的方法——可以在全息成像中合并并同时处理多条信息流。于是，他们开发了理论框架和一种全新算法，旨在实现单个可编程超表面实时生成数千个独立全息通道。
"核心思想是让可编程超表面不仅在空间上，而且在时间上进行调制，"马表示，"表面上的每个超单元会根据精心设计的时间编码序列，在两个相位状态之间切换——这就是1比特控制。当单频波照射到该表面时，这种时空调制会在反射光束中产生多个谐波频率，类似于快速振动产生的音乐和弦。"
每个谐波频率，都可以承载一张独立的全息图像。这意味着，一束光照射上去，出来的不是一张图，而是一整组"和弦"——数十张图同时亮起。
研究团队为此开发了一种名为"时空格赫伯格-萨克斯顿"（ST-GS）的全新算法。该算法可以在每个谐波上独立设计全息图案，从而通过单一输入频率，同时将数十甚至数百个图像投射到目标表面上。
"我们制造的超表面由6,144个独立控制的单元组成，实现了超过1 MHz的帧刷新率和相当于6 Gb/s的编码带宽，"马表示，"我们设计的独特优势在于即时并行性：与顺序时间复用方案逐个显示图像不同，我们的时空全息图可同时生成所有通道，无盲区，并且对频率不变的通道失真具有抗扰能力。"
实测：62张全息图，同时亮起
理论再漂亮，终究要看疗效。
研究人员利用新开发的超表面和ST-GS算法，成功同时生成了多达62种不同的全息图像。这是此前从未实现过的突破。
更关键的是速度。ST-GS算法相比粒子群优化等传统启发式算法，可将全息图生成速度提升数个数量级，从而实现实时动态运行。
"ST-GS算法相比粒子群优化等传统启发式算法，可将全息图生成速度提升数个数量级，从而实现实时动态运行，"马解释道，"最后，我们在一个包含6144个元素的超表面上实验验证了62通道全息图，并展示了动态多目标跟踪系统，证明了我们方法的稳健性和实用性。"
初步结果表明，时空编码方法具备将数千个全息通道组合起来生成数十幅图像的潜力。
为什么这项技术如此重要？
这项技术的意义，远不止"一次显示更多张图"那么简单。
第一，它实现了真正的并行处理。‌ 传统的时间复用方案是"排队显示"——第一张图亮完再亮第二张。而时空全息图是"同时亮起"——所有通道在同一时刻并行输出，没有任何时间盲区。这意味着在动态场景中，所有目标都能被实时捕捉，不会出现任何延迟或遗漏。
第二，它速度极快。‌ 超过1 MHz的帧刷新率和6 Gb/s的编码带宽，让这项技术足以应对实时应用场景。
第三，它为未来应用打开了巨大的想象空间。‌ "能够同时将不同光束引导至多个移动目标的能力，对于下一代雷达和无线通信系统而言可能具有重要价值，这些系统需要高速、自适应的波束成形技术，"马表示。
在成像、传感和目标跟踪方面，这项技术已经展现出惊人的潜力。研究团队展示了动态多目标跟踪系统，证明了方法的稳健性和实用性。未来，这一系统还可用于实时监测远程环境、改善通信网络、进行频谱分析以及提升显示技术。
未来：从62到数千，从实验室走向现实
东南大学团队并没有停下脚步。
他们目前正计划将ST-GS算法直接集成到超表面的FPGA控制器中，从而消除FPGA芯片与外部计算机通信的必要性，让设备完全自主运行。
"未来，我们的目标是将时空全息技术与其他复用维度（如偏振和轨道角动量）相结合，进一步提升信息容量，"马补充道，"此外，我们正在探索将这一范式扩展至非线性系统。我们还认为，该框架与其他相位恢复算法兼容，并且可以适应近场、远场甚至分数傅里叶变换等场景。"
结语
从一次只能生成一张图，到同时亮起62张全息图——东南大学团队用时空编码的智慧，让光不再只是"一个音符"，而是奏响了一曲恢弘的"交响乐"。当一块超薄材料就能同时操控数十束光、生成数十幅图像时，智能显示、虚拟现实、下一代通信、实时雷达……这些曾经遥不可及的应用，或许比我们想象中更近了一步。