可实现复振幅完全调控的宽带超表面全息

天津大学王球等人使用超表面代替空间光调制器作为全息板实现全息成像的方法。在太赫兹频率下，设计了一个可以同时进行五阶振幅和八阶相位调制的C型开口谐振环作为超表面的基本单元，通过数值计算、三维全波仿真和实验验证证明了同时控制相位和振幅的优越性。本文也是首次提出使用超表面这种单一器件对全息板的多阶相位振幅同时调控，成像结果具有很高的成像质量且具有宽带性。与以往的计算全息设计相比，该方法具有精度高、噪声低、加工工艺简单等独特优势。相关成果以“Broadband metasurface holograms: toward complete phase and amplitude engineering”为题发表在Scientific Reports (IF:4.380)上。

在传统的照相术中，照相底片无论是通过化学方法还是通过电子方法，都只能记录被拍摄物体散射光或者自发光波前的振幅信息。如此获得的相片虽然可以基本反映被拍摄物体的形状、轮廓、色彩、细节、背景空间等信息，但是原始波前的相位信息毕竟是失去了。从这个角度上讲，照相术完全漏掉了一个维度的信息，这种只记录波前而忽略相位的方法其实并不能反映被拍摄物体的完整信息，因此相片多少会给人一些不真实的感觉。

1948年，枷柏基于上述考虑，为了弥补照相术不能记录相位而损失波前一部分信息的缺点，从而发明了全息术这一能够同时记录振幅与相位的三维成像方法，相对于照相术来说，全息术是成像领域一次巨大的进步。传统全息术通过记录目标物体散射光和连续光束的相干图样来存储物体散射光或者自发光波前的振幅和相位信息，响应的存储载体能够在撤去物体后重现物体的像，即全息像。利用干涉效应，全息板可以巧妙地记录下物体散射光或者自发波前的相位信息，这样就比传统照相术多了一个信息记录的维度，所记录的信息自然就更加全面。除了记录图像，还原物体的三维信息，全息术目前已在多个其他领域得到广泛的应用：(1)全息存储是一种高密度在晶体内部或光聚材料上存储信息的技术。目前广泛应用的存储技术如蓝光光盘等已经达到了衍射极限所限制的最大数据存储密度，因此具有更大密度能力的全息存储可能成为下一代广泛应用的存储技术。(2)由于复制全息板或全息图像需要价格昂贵，工艺复杂的特殊光学系统，全息图像非常难以伪造，所以在安全领域有广阔的应用前景。目前，已有许多货币使用了全息防伪图像，类似的全息防伪也经常应用于银行储蓄卡、信用卡、护照以及身份证明等等。(3)自从全息术发明以来，全息成像与全息电影已成为一种艺术形式。目前世界范围内已有多个艺术工作室与学校专门致力于研究全息摄影。(4)此外，全息术在全息传感器、干涉显微、全息声学等方面也有重要的应用前景。

传统全息成像需要实际的物体，因为全息板记录的是参考光束与物体散射光束干涉之后的波前信息。其中，波前信息是关键所在，相比之下，被成像的物体倒不是最重要的，需要这一物体也是为了产生携带成像信息的波前。因此，如果波前信息可以通过其他方式获取，那么物体也就不是必需的。随着计算机科学与技术的发展，仅仅通过计算就获得携带成像信息波前复振幅的方法称为可能，于是计算全息就逐渐发展了起来。不同于传统全息术，计算全息术的波前记录过程是通过计算机运算完成，故不需要复杂的相干光照明系统、感光过程，同时也不需要真实的物体，在数字全息术中，被记录信息以数字格式储存在计算机中。记录过程利用波阵面与数码相机或传感器上的参考波进行干涉，然后将波阵面的信息储存在相机或计算机中。记录过程的基本要求是，相机的像素必须足够小。被记录物体被相干光照亮，并与数字传感器上的参考光波混合，由此生成的干涉图样被计算机记录下来。在重建过程，有两种选择。最常见的是，利用衍射和传播方程对记录的全息面进行计算分析，可以将波阵面传播到虚拟空间的任何平面；然后，该平面的强度信息可以出现在显示器上。通过这种方式，可以对重建的图像进行电子扫描并逐面显示。该计算全息术可以用来对于目前更广泛应用的虚拟图像进行记录，比如全息电影等。此外，计算全息术还具有以下优点：(1)可以方便地直接利用数字处理方法消除像差与噪声，改善全息成像质量；(2)数字化的全息图更容易保存、传输与复制；(3)计算全息术不仅适用于电磁波波段，也可以应用于声波与电子波；(4)可以实现自然界中并不存在的三维物体的成像显示；(5)可用于对于难以拍摄物的全息成像，比如大楼、云彩、人物以及某些自发光物体。基于这些优点，计算全息已广泛应用于成像显示，制作空间滤波器，激光扫描器，特定光场产生，数据存储等多个领域。太赫兹数字全息术随后被应用于许多领域，包括生物医学成像、安全筛查、无损检测和评估，以及微流体流动、振动和热变形系统的分析。

起初，计算全息术中充当全息板的器件是空间光调制器，它可以很方便地调制入射电磁波的振幅或相位。但是，大多数空间光调制器的像素单元尺寸无法满足亚波长要求，容易产生额外像差，而且空间光调制器通常只能调制入射波的振幅和相位，不能同时调制两者，这会对成像质量有所影响；另外，太赫兹波段相应的空间光调制器尚比较缺乏。超表面就可以很好地解决这些问题，超表面广义上指的是厚度为亚波长量级的人工结构表面，具备调控电磁波的能力。技术上，通过巧妙地设计基本单元结构在电磁波入射下的谐振与耦合等控制电磁波的相位、振幅、偏振态等电磁波基本属性，因此采用超表面容易满足亚波长的尺寸要求，有效避免原先的额外相差，可以很好地工作在太赫兹波段；一些合理设计的超表面单元结构可以同时调制入射电磁波的振幅和相位。

所设计的全息成像过程如图1a所示，字母”TJU”被作为目标像，全息板处于与该物体距离6mm的位置。此时成像系统可以视为平面屏幕衍射，在太赫兹波段下我们采用此条件下适用性极强的瑞利-索墨菲衍射公式计算衍射场分布。

实际很难通过积分的形式直接得到场分布的解析式，通过离散化的方式同样可以得到场分布的数值结果。随后通过归一化与相位振幅分阶化，可以得到如图1b与1c所示的超表面相位振幅分阶式分布。其中，相位采用线性的八阶分区设计，即以/4为间隔，共实现2的相位包络；振幅采用线性的五阶分区设计，即分别为0，0.25，0.5，0.75与1。

图1. 相位振幅同时调控的全息板设计。(a)“TJU”全息像设计示意图，(b)应用于超表面的五阶振幅控制，(c)应用于超表面的八阶相位控制。

3.2超表面的构建

图2. 相位振幅同时调控的超表面设计。(a,b) CSRR示意图与响应，(c,d)MAPM与MOPM样品在光学显微镜下的局部照片。

图4. 超表面全息成像的宽带特性。(a-h)MAPM在不同频率下成像平面位置的电场振幅分布全波模拟结果，(i)频率与对应的成像位置关系。

图5.不同频率不同位置处的实验结果。(a-c) 6mm位置不同频率下的电场振幅分布实验结果, (d-f)0.8THz下不同位置(z=3,6,9mm)的电场振幅分布实验结果。

图5(a-c)给出了在0.8THz的成像平面处0.7-0.9THz的电场振幅分布实验测量结果。虽然不处于自身的成像平面，对于0.7THz与0.9THz仍具有较好的”TJU”成像效果，这不仅证明了一定的宽带特性，也反映了通过该方法设计的全息像具有一定大小的焦深。图5(d-f)给出了0.8THz下不同位置的场分布，可以发现，该系统在0.8THz下的焦深极限大约为十倍波长量级。

本文首次提出了用单个器件便可实现对全息板的多阶相位振幅同时调控。成像结果具有很高的成像质量且具有宽带特性。与纯相位调制的超表面全息图相比，相位振幅同时调控的方法可以获得更好的全息图像。设计简单直接且加工简便。该设计方式不仅可以应用于太赫兹波段，也可以通过设计合适的材料参数以及结构的几何尺寸应用于其他波段，比如可见光波段。所提出的超表面全息术拓宽了超表面对于电磁波调控的应用范围，在太赫兹成像以及精细地操控太赫兹波的传播方向上具有光明的前景。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/srep32867