微纳光学超表面：呈现细致入微的全息图像

文 / 郑国兴，武汉大学

2021年，中国信通院发布《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》，提到未来 6G八大业务和十大关键技术。其中，“全息通信”勾勒出真人与实时全息影像之间的交流互动，引发广泛关注。

近年来，随着应用层次的不断深入，业界对全息术的要求愈加苛刻。比如全息光存储、显示、涡旋矢量光束等，都期望在同一全息片上记录尽可能多的信息。仅通过浮雕深度来控制相位，进而实现全息记录的传统二元光学计算全息术，提供的全息信息通道单一，无法满足技术市场对大容量全息技术的需求。因此，二元光学计算全息术的深层次应用遇到了很大的技术障碍，可以预料在未来很难有大的突破，亟待新概念、新原理和新技术的创新和革命。

超材料 (metamaterial) 的概念并不陌生。2010年被 Science 评为过去十年人类最重大的十大科技突破之一，并于2016年再次上榜 Science 年度十大科技突破 ( 平面超透镜研究 )。超材料是一种三维周期状的人造材料，在与电磁波的相互作用过程中表现出诸多不同寻常的性能，如负折射、电磁隐形、异常透射等。三维结构的电磁结构材料功能非常强大，几乎可以实现对电磁波的任意调控。

但事实上，三维超材料目前仅在微波波段有实质性进展和应用，在光波波段的应用目前还非常有限。这是因为超材料的特征单元尺寸是在亚波长量级：对于微波来说加工并不算难题 ( 厘米或毫米量级 )；但对于光波来说 ( 纳米量级 )，加工三维微纳结构的问题仍旧突出。所以很多年来，学术界在三维光波超材料的理论计算和仿真方面的工作较多，而实际加工和应用却非常少。

科学家开始把目光转向二维超材料，即超表面 (metasurface)。由于少了深度方面的周期性特征，超表面在加工上的难度大大降低，并且与现有的二元光学工艺完全兼容。2011年，哈佛大学 Capasso 课题组在 Science 上发表了超表面调控相位的经典论文——Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction。该文不仅解释了微纳结构的相位突变机理，而且给出了一种 V 型光学微纳结构超表面的设计案例和实验验证，可被视作超表面应用的开端。接下来的几年里，科学家围绕超表面实现光波的四大参量：振幅、相位、偏振和频率的精细化调节问题开展了广泛的讨论（这里的“精细化”是指：每个调控单元大小仅有波长量级），在物理机理、功能发掘和应用拓展等方面均取得了较大的进展。

总的来说，微纳光学超表面颠覆了人们对光波电磁场操控方法的传统认知，其在具备连续、任意、精密、高效的光参量操控等优点的同时，在制造上却仅需要简单的二台阶微纳光学工艺条件，因此极具商业应用前景。

早期基于超表面的计算全息主要是验证物理概念，信噪比不高，且衍射效率普遍偏低（低于10%）。与传统二元衍射光学元件普遍优于80%的效率相比，相距甚远。2015年，一种基于“三明治”结构的超表面全息实测衍射效率达到80%， 带宽高达400 nm^[1]。为此，Nature Nanotechnology 在《新闻与视点》栏目发表了评论，使用的标题为“全息：超表面使之实用化”。

之后的几年时间里，超表面全息术得到飞速发展，在彩色、多通道、多功能集成、动态显示以及寻求可行应用等方面进行了有益的探讨，相关研究成果引发广泛关注。受篇幅限制，这里简单列举一些超表面独有的全息术及其应用。

与之对比的是，超表面具有多维度、多参量操控特性，因此可呈现多通道、且彼此独立的全息显示这一独有特性。最简单的多通道全息是利用两个正交偏振态入射光的独立相位调控实现，比如：在超表面上独立编码两组分别对左旋光和右旋光起作用的全息相位，即可用一个全息片独立呈现两组全息图^[2]（图1a）。也可以通过设计每个纳米结构在两个正交方向的尺寸，实现两个正交线偏振方向独立的全息显示（图1b）。偏振复用带来的设计自由度是个有趣的话题，比如北理工黄玲玲课题组利用多种偏振组合实现了最多6种独立显示的全息图（图1c）。

武汉大学郑国兴课题组利用马吕斯定律的转角简并性，实现了光波的任意振幅调控与最高四台阶的相位独立调控，从而实现了高分辨率灰度图与全息图的独立显示（图2b）。与上述方案不同，复振幅型超表面能够实现无台阶数限制的多光参量操控。例如通过优化具有不同效率的波片结构，出射光交叉偏振分量的振幅和相位能够被连续操控，该方案同样能够有效拓展全息术的功能性（图2c）。

图2 多功能微纳光学超表面全息术。（a）基于独立光谱操控与相位调控的多功能全息术；（b）基于转角简并性的多功能全息术；（c）基于复振幅操控的多功能全息术

上述全息工作属于静态全息，虽然有效扩充了传统全息术的信息容量与功能性，但一旦完成加工过程，功能便相应被固定，该缺陷极大限制了超表面全息术的实际应用。哈工大肖淑敏课题组将超表面与空间光调制器 (SLM) 相结合 ^[4]，充分利用 SLM 的自由度，实现了可重构的全息图像显示（图3a）。武汉大学李仲阳课题组基于水凝胶材料构建了动态超表面，在不同的湿度下可以显示不同的全息图像，有效增加了全息显示的信息量（图3b）。

得益于其高精准度与低成本，电控是动态调控方案中关注度较高的一种。斯图加特大学刘娜课题组将电控方案与偏振操控结合，实现了两幅全息图案的开关切换（图3c）。

图3 典型的动态全息术工作。（a）将 SLM 与超表面结合实现可重构全息图；（b）水凝胶材料实现可切换全息图案；（c）电控方案实现动态全息显示

如今超表面全息术已经发展为一种鲁棒性高、显示分辨率高、适用性广、功能强大的图像显示方案，从而被研究者应用于许多领域。例如：澳门大学刘宏超和武汉大学郑国兴课题组将其应用于信息加密，超表面全息图案既可以作为加密过程中前端的密文^[5]（图4a），也可以作为真实信息的载体（图4b）。韩国RHO课题组在设计中结合液晶材料设计了动态可调的超表面，并将全息图案的切换作为有害气体的检测手段（图4c）。增强现实 (Augmented Reality，AR) 将虚拟信息应用到真实世界中，两种信息互为补充，能够实现对真实世界的“增强”，将预设信息与真实信息融合，还可实现基于超表面全息显示的 AR 技术（图4d）。

图4 超表面全息术应用。（a）将超表面全息术作为密文实现加密；（b）基于超表面全息术再现加密信息；（c）基于超表面全息术的气体探测；（d）基于超表面全息术的AR显示

总之，基于微纳光学超表面的计算全息术，在充分利用超表面的精密光参量调制特性的同时，还能利用其多维度电磁响应特性，实现概念全新、高效、动态、超紧凑、多维度的新型计算全息器件。

此外，无论采用干板印刷还是二元光学技术，传统全息元件的制备都需要复杂高昂的工艺手段，而超表面全息器件仅需在透明平面基片上做一次简单的套刻或电子束工艺，即可实现高效精密的光波调控功能和人工可控的电磁响应。因此不仅免除了多次套刻带来的工艺误差，还可提升器件的可靠性和稳定性，代表着未来计算全息器件的一种重要发展方向。更深一层次的，超表面的结构特征尺寸低至纳米量级，周期特征尺寸则低至亚波长量级。

因此，超表面全息术实现的是一种芯片级的全息信息光学器件，这在未来全息应用领域将极大缩小全息系统的体积、重量和功耗，代表着未来全息技术的发展方向，有望在智能手机、智能体感设备等人机交互领域发挥关键作用。

参考文献：

1.G.Zheng,H.Mühlenbernd,M.Kenney,et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency [J] Nat. Nanotechnol.2015,10(4):308-312

2. D.Wen,F.Yue,G.Li,et al . Hel i c i t y multiplexed broadband metasurface holograms [J] Nat.Commun.2015,6(8241):1-7

3.G.Yoon,D.Lee,K.Nam,et al . “Crypto-display” in dual-mode metasurfaces by simultaneous control of phase and spectral responses [J]. ACS nano, 2018, 12(7):6421-6428

4.G.Qu,W.Yang,Q.Song,et al .Reprogrammable meta-hologram for optical encryption [J]. Nature Commun. 2020,11(1):1-5

5.P. Zheng,J.Li,Z. Li,et al.Compressive imaging encryption with secret sharing metasurfaces[J].Adv.Opt.Mater.2022,10(15):2200257