撰稿|课题组供稿
近日，上海理工大学智能科技学院顾敏、方心远课题组提出了一种基于任意定制能量和拓扑电荷三维涡旋阵列的多视图显示技术。在随机梯度下降（SGD）算法的辅助下，通过一张仅相位全息图即可精确调整涡旋阵列中每个涡旋光束的能量和拓扑电荷，并通过编码灰度图像，实现四视图的三维轨道角动量（OAM）全息显示。该方法在提升激光处理并行性、光束生成效率及量子通信能力方面具有重大潜力，展现出广阔的应用前景。相关成果以“Engineered 3D Vortex Array with Customized Energy and Topological Charges for Multi-View Display”为题，在线发表于Laser & Photonics Reviews上（DOI: 10.1002/lpor.202301258）。上海理工大学智能科技学院博士生孟维佳为论文的第一作者，方心远研究员为通讯作者。该工作得到了顾敏院士的悉心指导。
当今信息技术飞速发展，涡旋光束凭借其无限维度和相互正交特性，正成为应对大数据处理挑战的强力工具。在光通信、全息、微粒操作、超分辨率成像以及量子信息等领域，涡旋光束引起了广泛关注。特别地，涡旋阵列以其高效生成多个涡旋光束的能力备受瞩目。达曼涡旋光栅最初设计用于同时生成多个能量相等的涡旋光束，极大推动了高容量光通信和多粒子操作的发展。结合达曼波带片，可以实现空间分离的三维涡旋阵列。然而，衍射效应限制了涡旋光束位置的灵活调整，导致相邻光束固定的拓扑间隔。为了克服这一限制，研究人员通过叠加多束涡旋光束和晶格坐标变换，成功实现了对二维阵列中每个涡旋光束位置和拓扑电荷的可控性。同时，利用角度和波长复用技术，实现了三维涡旋阵列的构建。然而，迄今为止提出的二维或三维涡旋阵列仍面临对阵列中产生的涡旋光束波前精确控制的挑战，即难以实现对涡旋光束的空间位置、能量和拓扑电荷的任意调控。这些限制制约了其在大容量高并行度光通信和显示等领域的应用前景。
为了克服当前涡旋阵列在精确生成涡旋光束方面的局限性，研究人员开发了一种基于仅相位全息图生成涡旋阵列的新方法。该方法通过将每个涡旋光束的能量和轨道角动量（OAM）功率谱作为损失函数以定制阵列配置。随后，借助任意定制的三维涡旋阵列，研究人员提出并演示了一种多视图三维 OAM显示方案。编码和重建过程如图1所示。首先，使用不同的OAM模式对三维视图进行编码，生成三维涡旋阵列的全息图（图1a中的H1至H4）。随后，引入优化模型将这些全息图转换为仅相位全息图（图1b），以实现三维叠加态涡旋光束的生成。研究人员利用SGD算法优化目标，逐步达到损失函数的最小值，确保在菲涅尔范围内重建编码不同视图的三维叠加态涡旋阵列。插图展示了阵列中每个涡旋光束都是可控的。最后，通过应用坐标变换，对不同权重的OAM模式进行排序，有效地实现了对各个视图的区分。
图1 一种多视图三维OAM显示方案的编码与重建过程
为了分析所提方案对涡旋光束的调控能力，研究人员设计了三个6×6×7（7个平面，每个面36个涡旋光束）可控的三维涡旋阵列发生器。这些发生器分别实现了不同功能：在传播方向上，能量可控但拓扑电荷不可控、能量不可控但拓扑电荷可控、以及能量和拓扑电荷均可控的涡旋阵列发生器。如图2所示，以能量和拓扑电荷均可控的涡旋阵列发生器为例。π的前252位被编码为携带不同拓扑电荷的涡旋光束，并假设二维阵列中每个涡旋光束的能量最大值相同。研究人员首先优化了不同涡旋光束的振幅分布（图2b），随后通过算法优化得到仅相位全息图（图2a）。图2c和2d展示了全息图的模拟和实验结果，表明二者之间具有一致性。图2e和2f分别描述了涡旋光束携带的拓扑电荷以及在第一和最后切片中六个选定涡旋光束的能量的严格分析结果。这些结果表明，生成的三维涡旋阵列能够独立控制涡旋光束的位置、能量和拓扑电荷。
图2 能量和拓扑电荷任意调控的三维涡旋阵列的实验演示
为了实现多视图三维 OAM显示，研究人员采用了多路复用技术，利用具有可控能量和拓扑电荷的三维涡旋阵列对每个视图进行编码。为了有效分离不同视图，他们采用了坐标变换方法，并将透镜相位集成到相位校正组件中（如图3d所示）。在Z=Z1处获得了四视图的重建图像（图3f）。最后，通过比较不同距离处不同视图的平均峰值信噪比（MPSNR，图3g），研究人员证明了提出方法的有效性。
图3 多视图三维OAM显示的实验演示
研究团队提出了一种基于涡旋阵列复用编码的多视图三维OAM显示方案，通过使用SGD算法，能够精确调整每个涡旋光束的特性。该算法巧妙地利用阵列内涡旋光束的能量和OAM功率谱作为优化目标，显著提高了控制精度和效率。研究团队首先展示了一个能够产生100个涡旋光束的二维阵列，随后展示了一个能够产生252（6×6×7）个涡旋光束的三维阵列。这种高密度的光束生成能力为三维成像和显示带来了革命性的进步。此外，通过将不同的三维灰度视图编码为三维涡旋阵列，并利用多路复用技术创建多视图三维全息图，研究团队通过坐标变换实现了将生成的三维叠加态涡旋阵列向不同方向传输，从而实现多视图三维显示。这一方法在提高激光处理的并行性、提升芯片上涡旋光束的产生效率以及增加量子通信中的量子比特数方面具有巨大的潜力。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202301258
