在纳米制造技术快速发展的推动下，超构表面（metasurface）为3D全息技术提供了前所未有的机遇。大深度3D超构全息（meta-holography）不仅显著提高了信息存储容量，而且能够区分3D物体的相对空间关系，在光学信息存储和医学诊断等领域具有重要应用潜力。虽然基于菲涅耳衍射理论的方法可以重建3D物体的真实深度信息，但最大深度仅为2 mm。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京航空航天大学、西北工业大学、中国科学院上海技术物理研究所、澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）的研究人员组成的团队提出了一种基于角谱衍射理论的3D超构全息，以突破深度限制。通过将角谱衍射理论引入到超构全息中，可利用具有独立偏振调控的超构表面结构来创建偏振复用3D超构全息图。所制备的非晶硅超构表面将深度范围提升了47.5倍，实现了可见光范围内偏振无关和不同颜色3D超构全息图的0.95 dm深度重建。这种偏振调控的大深度彩色超构全息有望为数据存储、显示、信息安全和虚拟现实应用奠定基础。上述研究成果以“Decimeter-depth and polarization addressable color 3D meta-holography”为题发表于Nature Communications期刊。
如图1a所示，当光照射矩形非晶硅纳米棒构成的超构表面时，通过角谱衍射理论可以实现3D光场的真实深度重建。最大深度为0.95 dm。
图1 本研究提出的3D超构全息概念
所设计的超构表面基于几何相位调控原理，实现了对每个超构单元光场相位的独立调控。图1b显示了所提出的用于编码全息图和同时调控相应偏振态的超构表面的示意图。对于两个不同的3D物体，基于角谱衍射理论计算了相应的超构全息图I和II。这两个超构全息图分别对应于一对正交圆偏振态。
传统的Gerchberg-Saxton（GS）算法使用傅里叶变换来实现全息重建中光场的收敛，这导致傅里叶透镜的焦距对重建图像的位置和深度存在基本限制。相比之下，角谱衍射是基于无透镜衍射成像的。重建图像的深度和位置是预先设置的，不受光路中透镜的影响。研究团队将角谱衍射原理引入超构全息中，以重建大深度的全息图像。根据全息角谱衍射原理生成的超构全息图如图2所示。
图2 超构全息图的计算策略
为了验证这一设想，研究人员设计并制造了一个由5000 × 5000像素构成的基于超构表面的全息图。所制备样品的扫描电镜（SEM）图像如图3a和3b所示。全息再现实验设置的示意图如图3c所示。超构全息重建系统包括1个激光器、1个扩束器、2个偏振器、2个四分之一波片、1个透镜、1个超构表面和物镜。
图3 3D超构全息的实验设置与实现
当使用圆偏振光照射超构表面时，可以任意调控两个正交偏振光场的复振幅分布。因此，可在左圆偏振态和右圆偏振态（LCP和RCP）下实现大深度的全息3D再现。
在全息再现中，偏振器I保持不变。四分之一波片I的快轴方向与偏振器I的偏振方向之间的角度设置为45°。此时，光束穿过四分之一波片I后变为左旋圆偏振态。如图4a所示，当衍射距离为3 mm时，CCD上可以看到字母“N”处于聚焦的全息重建图像。当衍射距离为70 mm时，在CCD上可以看到字母“U”处于聚焦的全息重建图像。当四分之一波片I的快轴方向与偏振器I的偏振方向之间的夹角为-45°时，光束穿过四分之一波片I后变为右旋圆偏振态。此时，可在3 mm和70 mm的衍射距离分别获得字母“O”和“C”处于聚焦的全息重建图像。以上结果表明，当不同偏振态的光照射到超构表面时，可以重建具有大深度的不同3D图像，这显著增加了超构全息的空间信息。
此外，当光照射到超构表面时，零级光与重建图像完全分离。不仅消除了零级光的串扰，而且获得了高质量的大景深偏振超构全息的3D重建结果。当字母“N”和“O”分别处于聚焦时，重建图像的强度分布如图4b所示。
为了验证偏振特性，通过改变四分之一波片I的快轴方向，获得了入射光不同偏振态的重建结果，如图4c所示。
图4 3D超构全息的重建结果
为了验证所提出的全息角谱衍射方法的有效性，研究人员模拟了使用不同算法的3D重建结果。3D物体由位于不同深度的两个字母“N”和“U”组成，其中“N”的深度为3 mm。研究人员分别使用菲涅耳算法和提出的方法计算超构全息图，全息重建结果如图5a所示。
利用所提出的方法，研究人员还验证了不同波长下的彩色超构全息的效果。图5b是不同颜色的光照射到超构表面时的彩色3D超构全息的示意图。不同波长下超构表面的透射率如图5c所示。图5d的左栏显示了使用LCP光照射超构表面时的实验全息重建图像，其中“N”处于聚焦。图5d的右栏是使用RCP光照射超构表面时的全息重建图像，其中“O”处于聚焦。在不同波长下均实现了高质量的全息重建，其中绿光透射率最高，蓝光透射率最低。重建图像的强度变化也与透射率测试的结果一致。因此，利用所提出的方法实现了单一超构表面中的多色超构全息重建。
图5 大深度和彩色3D超构全息
综上所述，这项研究将角谱衍射理论引入到超构全息中，并利用具有独立偏振调控的超构表面结构创建了一种具有大深度、高信息容量和偏振复用能力的独特方法。所制备的非晶硅超构表面将深度范围提升了47.5倍，并实现了可见光范围内偏振无关和不同颜色3D超构全息图的0.95 dm深度重建。这些优点为所提出的超构全息提供了实现裸眼3D显示、体数据存储、加密以及虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用的巨大潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52267-9
