近日，北京航空航天大學王瓊華教授團隊聯合合作者，將角譜繞射理論引入超表面全像圖編碼，設計並制備出一種大深度超表面結構。
圖 | 王瓊華團隊的王迪副教授是本次論文的第一作者（來源：王迪）
該結構具有獨立偏振調控的功能， 將超表面全像重構的深度提升 47.5 倍，解決了現有 3D 超表面全像術難以同時實作大深度重構和偏振態獨立控制的問題。
研究中，課題組將角譜繞射理論與超表面加以結合，使用超表面來記錄物體的復振幅資訊。
其中，右旋圓偏光和左旋圓偏光再現時的全部資訊均被記錄在超表面上，這讓偏振復用的超表面全像圖得以實作。
此外，本次成果在減少混疊的同時增大了重建深度，並實作了無色差全像，對於全像顯示和虛擬現實有著重要意義。
（來源：Nature Communications）
據該課題組介紹，全像術能夠精確地記錄和重建 3D 物體的全部波前資訊，並且沒有輻輳-調節沖突，因此是最理想的 3D 顯示技術之一。
而本次提出的 3D 超表面全像術，基於亞波長尺度的超表面結構，故能實作大視角、大深度、以及偏振可調的彩色 3D 重構，讓全像技術的發展距離實際套用更近一步。
在顯示、數據儲存和資訊保安等領域，大深度偏振可調的 3D 超表面全像術具有廣闊的套用前景。
首先，有望用於光學防偽和光學加密。
在不同偏振態下針對不同的全像圖樣進行編碼，就能在特定的偏振光下重建出指定的 3D 物體，從而能為資訊的安全傳輸提供新思路，進而有望用於光學防偽和光學加密等領域。
其次，有望用於遠端醫療診斷。
由於大深度 3D 超表面全像術能夠精確地重建 3D 物體，並能準確地反映 3D 物體的相對位置關系，因此有望用於遠端醫療診斷之中，為發展新型數碼化醫療提供新角度。
再次，有望用於文博數碼展覽。
在文物展覽方面，不少博物館已經推出了數碼展館，而本次技術同樣有望用於數碼展覽中，它能在保護文物的同時，將文物以生動精確的 3D 形象呈現給觀眾。
（來源：Nature Communications）
日前，相關論文以【分米深度和偏振可尋址彩色 3D 超表面全像術】（Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography）為題發在 Nature Communications [1]。
王迪副教授和李移隆博士後是共同第一作者，中國科學院上海技術物理研究所冀若楠副研究員和北京航空航天大學王瓊華教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
突破 3D 超表面全像重構時的深度限制
據研究人員介紹，全像術可以完整地記錄和再現光場的振幅和相位資訊，對於重建具有深度感和立體感的 3D 場景至關重要，在 3D 顯示、顯微成像、工業檢測、加密以及儲存等領域具有重要的套用前景。
超表面，是一種由納米尺度的結構單元組成的二維材料。它可以調控光的相位、振幅、傳播方向和偏振狀態等，具有像素尺寸小、重量輕、光場調控靈活等優點，為全像術的發展提供了新思路。
大深度 3D 超表面全像術不僅能大大地提高資訊儲存量，還有利於區分 3D 物體的相對空間關系，因此在儲存和醫學診斷等領域具有重要價值。
傳統的基於菲涅耳繞射理論的方法，雖然可以重構 3D 物體的真實深度資訊，但是最大深度僅為 2 毫米，而毫米級的重構深度難以滿足人眼對立體效果的感知需求。
因此，如何實作大深度 3D 超表面全像重構是一個亟待解決的問題。
而如何在實作大深度 3D 超表面全像重構的同時，還能實作偏振態的獨立控制以便增加資訊量，更是一個新的挑戰。
總的來說，超表面的關鍵瓶頸在於它的被動調控特性，很有必要解決超表面的復用限制。
王迪表示：「我們團隊的負責人王瓊華教授一直致力於實作更新穎的全像術，以推動 3D 顯示領域的創新發展。」
在王瓊華的帶領下，他們和中國科學院上海技術物理研究所陸衛研究員團隊（冀若楠副研究員所在團隊）、以及澳洲皇家墨爾本理工大學賈寶華教授團隊，聯合開展了本次研究。
旨在突破 3D 超表面全像重構時的深度限制，從而進一步推動全像技術的發展。
（來源：Nature Communications）
一項公開專利，促進一場合作
透過分析超表面全像圖的編碼過程、超表面材料的選擇、以及最佳化實驗光路對於深度的影響，研究人員嘗試找到打破限制超表面全像重構深度的根本方法。
經過多次探討和技術攻關之後他們發現：在超表面全像圖的編碼過程中，能否消除 3D 光場在傳播過程中的頻譜混疊，是實作大深度超表面全像術的關鍵所在。
於是， 他們建立了一款基於超表面的角譜繞射理論模型，透過限制其中的傳遞函數，來避免欠采樣操作導致的光場遠距離傳播的頻譜混疊現象。
而要想打造具備獨立偏振調控功能的超表面結構，對於全像圖上的每個像素所編碼的相位資訊和偏振態來說，它們都需要與超表面的單元結構互相匹配。
經歷長時間的偵錯之後，課題組完成了大深度超表面全像圖的編碼工作。
而在基於超表面樣品進行全像重建時，他們遇到了很多意外的難題。
一開始，該團隊使用的是傳統的全像實驗光路，但卻發現無法觀察到重建結果，實驗進展一度因此停滯。
幾經偵錯光路也沒有關鍵進展，研究幾乎陷入僵局。冀若楠在得知實驗進展不順利後，第一時間排查超表面制備方面的相關情況，多次調整超表面的制備材料。
同時，王迪同部門的同事李移隆博士，針對大深度超表面全像圖編碼演算法進行反復驗證，努力排除相關問題。
「記得有一個周末，由於光學實驗偵錯一直不理想，大家的情緒都十分低落，王瓊華老師看到之後，並沒有忙完工作就立馬回家休息，而是利用周末時間幫助我們一起分析原因。」王迪說。
後來，透過對全像演算法中的參數進行逐個最佳化，以及對超表面材料進行調整，再加上不斷地最佳化調整實驗光路，他們完成了大深度偏振可調的 3D 超表面全像重建實驗。
所提出的基於角譜繞射理論的大深度超表面全像圖編碼原理，也得到了實驗結果的驗證。同時，超表面全像圖的偏振獨立調控有效性也得到了驗證。
（來源：Nature Communications）
據王迪介紹，本次課題的啟動也得益於和合作者的「巧合」。
近年來，超表面全像術的快速發展引起了王迪所在團隊的關註，然而他們團隊並沒有超表面制備的相關經驗，想要開展超表面全像相關的工作就必須尋求合作。
後來，王迪所在團隊的一項偏振全像術公開專利引起了冀若楠的關註。
經過初步交流之後，大家都對超表面全像的發展思路有著相同的見解，隨後立馬開展合作。
一方面，王迪所在團隊在全像方向的研究已經持續了多年，有著豐富的研究基礎。另一方面，冀若楠所在團隊在高效能超表面制備方面有著大量研究經驗。
「雙方都很看好 3D 超表面全像的發展前景，大家有著共同的夢想，期待拓寬全像術在超表面中套用的可能性，以及實作新穎的超表面全像術。」王迪說。
正是這樣的默契，讓雙方得以克服困難並順利完成研究。 而在實作大深度偏振可調的 3D 超表面全像術之後，他們也在思考如何拓展超表面全像重建深度的靈活度。
目前，已有的超表面全像技術都是在超表面編碼時來預設重建深度，這導致超表面全像重建像的深度存在不可調的缺點，進而導致套用場景受到限制。
下一步，他們計劃透過引入變焦透鏡等技術，希望能夠實作 3D 物體重建深度的連續可調，並能透過開拓更多的套用場景，推動超表面全像技術的進一步發展。
參考資料：
1.Wang, D., Li, YL., Zheng, XR. et al. Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography. Nat Commun 15, 8242 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52267-9
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