全息技术能够完整记录和再现光场的波前信息，在三维显示、数据存储、光学加密等领域发挥了至关重要的作用。例如，全息三维显示技术无需佩戴设备、不易引起视觉疲劳，被认为是虚拟现实（VR）/增强现实（AR）近眼显示、智能车载抬头显示（HUD）等应用的终极解决方案。但是，传统全息图只能记录一幅图像，难以实现动态立体显示。
与之相比，新兴的轨道角动量（OAM）全息技术利用OAM自由度，开辟了宽广的信息存储空间。类似于电影的胶片，数百帧图像可记录在同一张OAM复用全息图中，其中每帧图像只对应特定的OAM阶数，相当于被赋予了一个专属密码；通过不同阶OAM光束依次照射全息图，实现三维影像的动态刷新，理论上可大幅提升全息技术的信息容量和安全性。
然而，OAM全息图的大容量与高分辨率是一对矛盾。由于全息图的各OAM通道之间存在强烈串扰，为了确保每个像素位置的OAM性质不被破坏，必须对原始图像进行稀疏采样（图1a）——严格要求采样间隔（L）不小于最高阶OAM模式的直径（dmax），即γ=dmax/L≤1。γ=1即对应目前OAM全息技术的分辨率上限，如图1b的蓝色曲线所示，随着复用通道数量增多（dmax增大），图像分辨率损失严重（L同比例增大）。该瓶颈问题极大限制了OAM全息技术的容量和分辨率的提升空间。
针对以上难题，清华大学精仪系先进激光技术团队建立了OAM全息复用串扰的综合分析模型，提出了几乎无串扰的伪非相干方法，并通过时分复用技术实现了近似的相干方法。新技术放宽了对OAM全息采样条件的限制（γ可增大数倍，如图1b的红色、紫色曲线所示），突破了现有OAM全息技术的分辨率上限，显著提升了重建图像的分辨率（相同复用通道数量下）和复用容量（相同分辨率下）。工作原理如图2所阐释：现有OAM全息技术对应于图2a的普通相干方法，当γ>1时，重建图像中的OAM特性被完全破坏，引起强烈的复用串扰；图2b的非相干方法虽然能够抑制复用串扰，但由于时域/空域色散，重建图像会变模糊；图2c和图2d分别为本工作提出的伪非相干方法、时分复用相干方法，使重建图像始终保持OAM特性，即使在超分辨情况下仍能获得高质量重建。
基于50张二值OAM全息图的时分复用，本工作展示了2倍超分辨条件下（γ=2）5幅灰度图像的OAM复用（图3）、4.7倍超分辨条件下（γ=4.7）201帧视频的OAM复用（图4）、9.2倍超分辨条件下（γ=9.2）81幅二值图像的OAM复用（图5），均表现出优于复振幅OAM全息、相位型OAM全息方法的重建质量。
图3.五个中国地标性建筑256阶灰度图像的OAM复用（2倍超分辨），其中SSIM为结构相似性系数
图4.OAM复用256阶灰度图像全息视频（4.7倍超分辨）：（a，b）201个不同OAM光束依次照射全息图，获得201帧高质量全息视频；（c）强度起伏系数（CV）、结构相似性系数（SSIM）等评价因子随OAM复用通道数量的变化
图5.二值图像的OAM复用(最高9.2倍超分辨,81通道)
该技术通过数字微镜阵列（DMD）进行演示，但也适用于可编程超表面、铁电液晶空间光调制器、数字光处理投影仪等各类可重构平台。该工作为实现兼具高分辨率、大容量的全息系统提供了实用化解决方案，对智能显示、全息加密、全息存储等应用的性能提升具有重要意义。进一步结合硬件在环的迭代方法，纠正实验中不均匀照明、光学系统像差和调制器件误差引起的图像质量下降，有望实现更高分辨率、更大容量的OAM全息复用。
该研究工作的完成单位为清华大学精仪系、时空信息精密感知技术全国重点实验室、光子测控技术教育部重点实验室。论文第一作者为精仪系2019级博士生石子健，通讯作者为精仪系柳强教授、付星副教授，其他作者还包括精仪系博士生万震松、战子钰、刘凯歌。研究工作得到国家自然科学基金资助。
研究成果近日以“超分辨轨道角动量全息技术”（Super-resolution orbital angular momentum holography）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37594-7
