近日，华中科技大学祝雪丰教授团队联合中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、马腾研究员，利用高像素二进制超表面在水下实现了三维多功能高分辨声全息。
所提出的超构表面能够同时支持多个频率和多个深度的编码，极大地提升了振幅型全息超表面的信息容量。相关成果以“High-Resolution Manifold Acoustic Holography Based on High-Pixel-Array Binary Metasurfaces”为题，发表在《Advanced Materials》期刊上，并被选为封面文章（inside back cover）。华中科技大学博士研究生曾龙生为第一作者，华中科技大学博士研究生林梓彬、中国科学院深圳先进技术研究院博士后李宗霖和副研究员杨晔为共同第一作者。华中科技大学祝雪丰教授和彭玉桂副教授、中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士和马腾研究员为论文的共同通讯作者，华中科技大学为论文的第一完成单位。
精确且灵活地操控波前一直是声学领域的重要研究目标。随着超材料和全息技术的快速发展，研究人员提出了更复杂的波前调控方案，实现了在目标面上二维复杂波场的图案化重建，甚至推动了三维声全息成像的发展。目前，声全息的实现主要依赖迭代角谱法。该方法通过在源面与像面之间反复迭代，反推出源面所需的相位分布，进而利用固体板或凝胶膜的厚度变化制作相位掩模，以提供所需的相位轮廓。然而，相位掩模在实际应用中不可避免地存在耦合效应，从而限制了全息图的成像分辨率。尽管这类耦合效应可通过前期数值模拟进行优化补偿，但也带来了较高的计算资源消耗。近年来，基于振幅调制的声全息方法也逐渐受到关注，尤其适用于水下声波操控场景。例如，通过图案化气泡阵列或空气层构建的振幅调制结构，已被证明在水下环境中具有良好的调控性能。在以往研究中，这类方法通常依托带孔轻质板或亚波长尺度图案化的超声绝缘薄膜（meta-skin）实现，其设计原理基于Rayleigh-Sommerfeld 积分。然而，该方法计算复杂度较高，在计算能力受限的情况下，容易制约全息图像的分辨率提升。
在本研究中，我们提出了一种基于高像素二进制超表面的通用方法，用于实现高分辨率的多维声全息。为实现这一目标，我们采用前向优化策略，利用角谱法计算像面上的声场分布，并通过遗传算法对比像平面与目标平面之间的声场差异，反复迭代直至收敛（图1）。
该方法将源面上的振幅离散为“0”和“1”的二值化阵列，避免了传统方法中将相位信息映射为振幅分布的过程，从而有效提升了全息图的质量。与基于 Rayleigh-Sommerfeld 积分的方法相比，角谱传播法仅涉及矩阵运算，显著降低了计算资源消耗，因此在高像素声全息设计中展现出更高的计算效率。进一步地，为实现不同深度或频率下的三维全息图重建，我们引入了传递函数方法，代替复杂的积分运算，进一步提升整体计算性能。最终，所设计的高像素全息超表面通过皮秒紫外激光加工技术（波长 355 nm，脉宽 < 8 ps）实现，加工精度高达 10 μm。
图1. 振幅型声全息设计流程图。携带单频或多频的声波入射至由“二进制”（0 和 1）单元组成的超表面，并在不同深度处重建出目标图案（如 A、B 和 C）。通过遗传算法对超表面进行优化，若像平面上的声场分布与目标图案存在差异且未满足终止条件，则继续迭代更新源面上的二值分布，直至获得最优解，从而指导超表面的结构设计。
为验证所提方法的有效性，我们首先设计了典型的单频率、单深度声全息，成功实现了字母“A”的声全息图案重建（图2）。由于该图案相对简单，所设计的全息超表面仅包含 80×80 像素，整体尺寸为 20 mm × 20 mm，每个像素（即“0”或“1”单元）的尺寸为 0.25 mm × 0.25 mm，对应边长仅为 0.167λ。此外，超表面的厚度仅为 50 μm。理论模拟与水下实验结果均表明，经过优化设计的二进制超表面能够高效地在水下生成清晰的声场图案。为进一步提升单个全息超表面的信息容量，我们将多个全息图案分别编码至不同深度的像平面，实现了单频率下的多深度全息（图3）。通过控制金属表面单元的“开”与“关”状态，我们在两个不同深度位置成功重建出高保真的全息图案，并通过水下实验验证了该方案的可行性。
图2. 单频率单深度声全息图案重建。 所优化重建的图案为字母“A”。
图3. 双深度单频率声全息图案重建。相同频率的入射声波在两个不同深度位置分别形成数字“1”和数字“2”的全息图案，展示了单频率下的多层信息复用能力。
基于二元超表面，除了能够实现单频单深度乃至多深度的声全息成像外，还可通过在超表面中引入频率编码，实现单深度双频率声全息（图4）。所谓单深度双频率声全息，即两种不同频率的声波在同一个超表面调制下，可在相同深度位置分别重建出不同的图案。根据采样定理的要求，目标成像深度设定为距样品表面12 mm。实验中，当入射频率为 2 MHz 时，观测位置可清晰呈现数字“1”；而当频率切换为 3 MHz 时，同一位置的图案则变为数字“2”。该双频率调控方法为实现动态声镊提供了可能：通过改变激励频率，即可快速切换声场强度分布，从而实现对操控颗粒的动态排列与重构。
图4. 单深度双频率声全息。对于同一样品，通过调整入射频率，可以在像平面同一位置生成不同的全息图案。
最后，我们深入展示了所提出的振幅型全息超表面对复杂图案的重构能力。以华中科技大学物理学院院徽（图5）作为目标图案，该图案由花瓣环绕的中文字符构成，包含丰富的细节。因此，需要使用大量二进制单元以提供足够的自由度，确保精确的图案重建。在我们的设计中，目标图案被离散为 301×301 个像素，总像素数超过 90,000。图像尺寸为 25 mm × 25 mm，每个像素的边长约为 83 μm（约 0.167λ）。当工作频率为 1 MHz 时，为满足采样定理的要求，设计的图像平面与超表面的距离为 5 mm。实验结果表明，复杂的目标图案在设计位置成功显现，且所有细节与理论设计完全一致，能够清晰、完整地展现目标图案的特征。
图5. 利用二值超表面投射物理学院院徽。该样品的总像素点数超过 90,000 个。
研究团队基于角谱正向传播理论与遗传算法的结合，利用高像素阵列的二元超表面实现了高分辨率的多层声学全息。与传统的迭代角谱方法不同，我们的方法仅依赖正向传播优化，能够找到全局最优解，而非局部最优解，从而显著降低了计算复杂度。通过所提出的二元超表面，我们验证了其在四种不同应用场景下的表现：传统的单深度单频率全息、信息容量更高的双深度单频率全息、单深度双频率全息，以及复杂图案的声学全息重建能力。随着二元超表面中单元数量的增加，更多自由度得以发挥，能够构造出多种具有复杂功能的声学场分布。例如，通过调节工作频率实现动态声全息，或通过同时调控振幅与相位生成三维结构化声场，用于粒子的捕获与操控。上述成果有望为声学超表面在生物医学工程领域的应用带来直接且深远的影响。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202420229
