随着信息技术的飞速发展，光学全息术作为高密度信息存储与显示的重要手段，已经在3D显示、光学加密、超大容量数据存储和光通信等领域展现出广阔的应用前景。其中，轨道角动量（OAM）因其具有无限正交模态，被认为是突破光学信息存储与传输容量极限的关键技术。然而，传统的OAM全息技术仍然面临成像自由度受限、纵向分辨率较低等瓶颈，制约了其在高精度3D成像和信息处理中的进一步发展。
在传统OAM全息术中，全息图的成像距离通常由傅里叶透镜的焦距决定，这意味着投影深度是固定的，无法灵活调整。而在多平面全息成像中，由于景深（DoF）限制，相邻成像平面之间的间隔往往呈现非均匀分布，导致在成像平面密集分布的情况下，系统的纵向分辨率降低，甚至引入严重的通道串扰，影响全息图的解码精度。此外，在非线性光学应用中，OAM全息的非线性转换过程受到相位匹配条件的限制，OAM模态的转换必须满足轨道角动量守恒关系，这对OAM全息的设计和优化提出了更高的要求。因此，如何在非线性光学框架下构建灵活可调的3D OAM全息术，同时兼顾高纵向分辨率、低串扰和高信息容量，是拓展OAM全息应用边界的重要研究方向。
针对这一问题，上海交通大学陈玉萍教授课题组提出了一种全新的非线性3D OAM全息方法，该方法成功突破了传统OAM全息术在纵向维度上的限制，实现了可调控的3D OAM多平面成像。这项研究不仅为未来的超大容量光学存储、全息显示、光场调控提供了新的技术方案，同时也为非线性光学信息处理开辟了新的方向。相关工作以“3D Orbital Angular Momentum Nonlinear Holography”为题发表在期刊《Advanced Optical Materials》上，上海交通大学陈玉萍教授为该论文的通讯作者，上海交通大学博士生沈飞扬和南京大学博士生范维文为论文的第一作者。论文的合作者南京大学张勇教授对论文工作提出了宝贵的修改建议，上海交通大学陈险峰教授对该工作提供了重要指导。
图1 非线性3D OAM全息术的原理示意图
在本研究中，我们提出了一种基于菲涅尔波带片（FZP）调控的3D OAM非线性全息术，该方法通过在计算全息图（CGH）上直接叠加FZP，使得傅里叶变换可以在菲涅尔区间内完成，从而实现对投影深度的灵活调控，而无需传统OAM全息术中常见的傅里叶透镜结构。这种设计极大地简化了光学系统，并赋予了OAM全息更高的自由度。
同时，我们在OAM复用全息的基础上，通过在不同OAM通道中引入不同焦距的FZP，实现了低串扰的3D多平面投影。实验结果表明，相较于传统3D全息术，该方法不仅可以均匀控制相邻成像平面的间隔，而且显著降低了不同OAM通道间的串扰，使得OAM模态在纵向投影过程中可以独立编码和解码，从而提升了系统的信息处理能力。此外，我们基于非线性OAM匹配条件，提出了一种全新的非互易OAM全息编码方法，即在不同方向的入射光下，全息图可以重建出不同的信息内容。这种设计使得OAM全息的信息容量可以在相同空间内提升一倍，为未来的光学信息加密与动态全息存储提供了新的技术思路。
图2 非线性3D OAM全息的解码与实验重建结果
实验部分，我们首先在单个成像平面上进行了OAM复用全息实验，成功验证了多通道OAM全息在相同成像深度下的解码能力。随后，我们进一步利用不同OAM通道的独立深度控制能力，对“SJTU”四个字母进行3D多平面投影实验，实验结果表明，该方法可以精确控制多个目标图像在不同深度处的独立重建，并且显著降低了串扰。此外，我们通过均方误差（MSE）分析了实验结果的成像质量，结果表明实验重建的MSE比随机噪声图像低两个数量级，进一步证明了本方法在高保真度3D成像方面的优越性。
未来，该方法还可以与超快调控技术、可编程空间光调制器（SLM）、数字微镜器件（DMD）等结合，实现动态OAM全息术，使得全息图的编码和解码能够达到更高的速率，甚至可应用于超高速光学计算、智能光学处理等前沿领域。与此同时，该技术也与非线性光学机制兼容，如倍频全息、三阶非线性全息等，未来有望进一步提升OAM全息在复杂光场调控中的应用能力。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adom.202402836
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