全息是记录和重建光场的重要科学技术，长期以来在成像、数据存储和信息安全中扮演核心角色。然而，传统全息系统依赖复杂光学装置及干涉方法，难以实现紧凑或集成化应用。虽然Gerchberg–Saxton（GS）算法等计算方法简化了全息图设计（无需再用干涉理论），但其生成的通常是标量全息图，偏振信息单一，限制了可编码的信息量。
为突破这一限制，香港科技大学陈子亭教授团队、香港大学博士后王冬逸和复旦大学周磊教授团队合作，在Advanced Photonics发表最新文章，提出了一种通用的矢量全息策略，利用超薄超表面高效实现强度和局域偏振分布同步可调的全息成像。这种方法在任意入射偏振条件下均能工作，生成的局域偏振态空间变化丰富且无对称性限制，大大增强了全息信息容量。该研究成果为矢量全息图像的生成提供了高效、紧凑的平台，有望在集成光学领域带来众多应用。
图1基于超薄高效超表面的任意矢量全息生成
近年来，超表面（metasurfaces），由亚波长平面微结构按特定序列排列而成的超薄超材料，已广泛应用于偏振控制、传播波与表面波的耦合、超透镜等诸多新奇光学现象的实现，也被普遍应用于全息成像。相比传统技术，超表面器件具有平坦、超紧凑、易于实现和相对横向分辨率高等优势，非常符合光子集成的实际应用需求。
尽管如此，迄今为止，通过超表面实现的全息图多为标量图像，偏振分布均匀。近期，超表面也逐步被用于矢量全息成像，但通常采用两套不同的庞加莱-贝利（PB）相位单元，分别调制两垂直偏振通道，因此效率较低，且对入射偏振态限制较多。而利用各向异性共振相位也可构建超表面矢量全息图，但旋转自由度的缺失限制了产生矢量全息的局域偏振态分布。既不限制入射偏振态，也能实现任意出射强度及局域偏振态的普适、高效矢量全息超表面设计方法仍亟待探索。
如图1所示，研究团队通过将GS算法与波偏振分解技术相结合，可根据任意目标矢量全息图设计计算出超表面上每个单元胞的散射特性。根据散射特性，利用具有三个独立自由度（两垂直方向拔长及旋转角度）的金属-绝缘体-金属（MIM）反射式单元胞数据库，能设计出同步实现任意相位调控和偏振转换的超表面。如图2所示，在任意入射偏振下，均可设计出波前和局域偏振态分布都不有任何对称性的矢量全息超表面。
图2任意入射偏振下的矢量全息超表面设计与成像效果
特别的，基于MIM单元的超表面具有超薄性质——厚度约为工作波长的四分之一，且体积紧凑，整个矢量全息样品尺寸小于200μm×200μm，非常适合芯片集成。为进一步实验验证矢量全息超表面的可行性，研究者用微纳加工技术制备了样品并在近红外波段（1064nm）进行了相应测试。研究者共设计了两类矢量全息图：一类是作为基准实验验证的对称性矢量全息；另一类则是复杂的非对称性矢量全息，如图3所示，包括矢量时钟、矢量花朵和矢量飞鸟等。每个图像的不同区域具有不同偏振态，旋转偏振片观察时，图案会动态变化，如矢量飞鸟仿佛在飞。这一特性极具应用价值，未来可能用于光学加密和防伪。该矢量全息超表面同时也非常高效，可达到接近68%的效率，优于之前的矢量全息系统。
图3不具有任何对称性的矢量全息超表面实验表征结果
研究团队提出了基于高效超薄超表面在任意偏振入射下实现任意矢量全息的一般策略，并在通信波段进行了实验验证。通过利用两种相位机制，结合GS算法与波偏振分解技术，研究者提出了一种全新的高效超薄超表面平台，使紧凑型器件能高效地在任意入射偏振态下生成具有空间变化局域偏振分布的非对称性复杂全息图像，推动了光子学芯片中成像、光学加密等应用的发展。
该研究成果以“High-efficiency Vectorial Holography based on Ultra-thin Metasurfaces”为题在线发表在Advanced Photonics。
本文作者分别是Tong Liu, Changhong Dai, Dongyi Wang, C. T. Chan, Lei Zhou，其中前两位作者为共同第一作者，Dongyi Wang博士和Lei Zhou教授为共同通讯作者。周磊教授团队隶属于复旦大学应用表面物理国家重点实验室。
文章链接：
https://doi.org/10.1117/1.AP.7.5.056004
