AS | 具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术

1、研究背景

全息术可以完整地重建物体的波前信息，在加密、成像和光束整形等领域具有重要应用。传统全息术通常使用空间光调制器等设备进行光场调制，然而由于微米级尺度的调制单元尺寸，全息术视角严重受限。近年来，随着微纳制造技术的发展，超表面全息术引起了研究者的极大关注。超表面可以具备亚波长尺度的单元尺寸，因此超表面全息术可以轻松地实现超宽视角。不过，超表面全息术的发展仍然面临两方面的艰巨挑战：（1）超表面全息术存在显著色差。在多波长超表面全息术中，不同波长的全息像存在显著色差，通过偏振复用等方式进行色差补偿通常需要牺牲信息容量，并且一般只能对特定波长的色差进行补偿，存在局限性。（2）超表面全息术难以实现成像调节。由于超表面难以实现动态刷新，超表面全息术成像深度和大小固定且受限，存在显著的成像适应性局限。因此，探索多波长超表面全息术的色差补偿和变焦调控方法具有重要的科学研究意义和实际应用价值。

2、文章概述

近日，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、香港城市大学蔡定平教授团队合作提出了一种具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术，为解决超表面全息术的色差和成像适应性问题提供了方案。他们首先提出了一种3D GS算法以实现超表面3D全息图的便捷和精准计算，并依此设计和制造了基于Pancharatnam-Berry相位的宽波段超表面，从而实现了多波长超表面3D全息像重建。然后，他们研制了具有大变焦范围的快速可调液体透镜，通过采用高弹性聚合物薄膜和复配高性能液体材料，有效提升了液体透镜的变焦范围和响应速度。通过将液体透镜组和超表面相集成，利用液体透镜的快速可调性，他们成功实现了多波长消色差3D超表面全息像重建，并且可以对全息像的成像深度和大小进行灵活调节，实现变焦效果，超表面全息像的变焦比可达2.1，调节响应时间仅需5 ms。他们所提出的具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术在存储、显示和信息安全等方面具有重要应用潜力。

3、图文导读

   

图1 具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术概念图。a.液体透镜示意图。b.超表面单元结构示意图。c.具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术示意图。

                                 

图2 具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术工作原理。a.3D超表面全息图的计算和生成流程。b.超表面全息图色差补偿策略和液体透镜结构。c.液体透镜的光焦度调节范围。d.液体透镜的上升响应时间。e.液体透镜的下降响应时间。

                                 

图3 超表面全息图的制造与实验测试装置。a.超表面全息图的结构（俯视图）。b.超表面全息图的结构（侧视图）。c.具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术的实验光路。

                                 

图4 具有变焦功能的多波长消色差3D超表面全息术实验结果。a.使用固体透镜时多波长3D超表面全息图的有色差重建结果。b.使用液体透镜调制后的多波长变焦超表面全息图重建结果。c-d.使用液体透镜调制后的多波长消色差3D超表面全息图变焦重建结果。

论文信息：

Multi-Wavelength Achromatic 3D Meta-holography with Zoom Function

Chao Liu^†, Yi Zheng^†, Di Wang, Qian Huang, Xiao-Wei Li, Fan-Chuan Lin, You-Ran Zhao, Yi-Wei Zheng, Xiao-Ke Lu, Xin-Ru Li, Xin-Ru Zheng, Xin Xie, Kun Song, Zhen-Fei Li, Wei Lu, Din Ping Tsai, Ruo-Nan Ji*, Qiong-Hua Wang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202501881

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501881