撰稿人 |Brandon Zhou
論文題目 | 基於復振幅超表面在動量空間實現軌道角動量全息
Complex-amplitude metasurface-based orbital angular momentum holography in momentum space
主要作者 | Stefan A. Maier&Haoran Ren
完成單位 |英國帝國理工學院、德國慕尼黑大學
論文概述
為提高超表面全息的信息容量，可以將信息編碼在光的軌道角動量中。因為此自由度具有可以用作信息通道的無限制的正交螺旋集。到目前為止，使用僅相位超表面已經實現了軌道角動量全息術，但是，該表面會受到通道串擾的影響。該論文提出並演示了一種軌道角動量全息技術，該技術能夠多路復用多達200個獨立的軌道角動量通道。這是通過在動量空間中設計一個能夠完成完整且獨立的振幅和相位操縱的復振幅超表面來實現的。然後使用不同的軌道角動量光通過傅立葉變換提取信息，從而實現無透鏡重建的全息視頻播放。該超穎表面可以在聚合物基底上通過三維加工在SiO2上面，可以進行大面積製造。
研究背景
光學全息術是用於現實的三維（3D）顯示，光學加密，數據存儲和人工智慧的有前途的技術。傳統的技術在自由度復用的條件下，可以攜帶更多的信息。但用於復用的獨特光學自由度的可用性相當有限且帶寬仍然很低。軌道角動量（OAM）的波前表現為扭曲的相位波面，並且由於其物理上無限的正交螺旋模態集，已成為提高信息容量的新穎方法。通過在動量空間中對計算全息圖進行適當的空間頻率採樣，可以保留入射光的OAM屬性，以選擇性地處理被OAM編碼的全息圖像。
但是，這種相位型的超表面全息圖很難實現復振幅調製通道和OAM螺旋相位的卷積。這就使得線性疊加原理被破壞，並且圖像復用遭受強烈的串擾。因此，該方法將最大復用信道限制為四個。即使最近已有研究基於衍射傳播理論的復振幅超表面來實現菲涅耳全息，但並未能實現複合OAM和菲涅耳全息的工作，因為它們不是為動量空間圖像重建而設計的。另外，超穎表面的製造成本較高，平面超表面全息圖設計的自由度受限，這也需要複雜的光學系統來進行圖像重建。
技術突破
本文提出在動量空間中設計超高維OAM復用全息的大規模復振幅超表面的設計和3D雷射製造。該高帶寬超表面全息圖能夠演示在OAM中編碼的多達200個正交圖像通道的無透鏡重建，從而實現了光學可尋址的全息視頻顯示，而無需使用空間掃描方法。在不失一般性的前提下，本文選擇拓撲電荷數在–50至50之間的OAM模式，以順序且每隔1拓撲電荷數入射到復振幅OAM超表面全息圖上，重建出依賴OAM編碼的正交圖像，其中兩個不同的全息視頻同時在動量空間中的不同平面重建。該文章設計並調控矩形納米的雙折射的高度（H）和面內旋轉（θ）聚合物納米柱分別用於獨立控制透射光的幅度和相位響應。
圖1 動量空間中編碼OAM復振幅超表面全息的設計原理。
圖2 基於復振幅的OAM超表面全息的原理及其在全息視頻顯示中的應用。
圖3 基於大規模軌道角動量超表面的超高維OAM多路復用全息的實驗演示。
觀點評述
本文展示了用於動量空間中全息圖像超高維多路復用的復振幅全息圖的設計。基於平面元光學的OAM多路復用全息技術為提高更多的復用密度，可將其應用於超快速切換全息視頻顯示器和超安全的光學加密中，該文還引入了隨機相位來降低任意兩幅全息重建像間的幹擾。此外，該文實驗性地利用基於聚合物納米柱的高度自由度，從而3D復振幅的超表面全息重建。但實質上看，相對於本文作者前期發表在Nature Photonics和Nature Communication上關於軌道角動量全息工作而言，納米結構有所變化，即採用高低不同的聚合物納米柱實現獨立地復振幅調控。本文在菲涅耳域重建兩個不同深度平面的時序圖像以構成視頻展示。在展示效果上使得不同深度平面間的串擾並不明顯，在視頻效果更好。但事實上由於疊加了更多的圖像信息，兩幅重建圖像之間的串擾並不能從本質上被消除。