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tianyajq

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[资源] 超表面全息综述 when metasurface meets hologram:principle and advances

全息技术曾于1971年获得诺贝尔物理学奖，在光场记录与再现、三维显示、数据存储和信息安全等诸多领域发挥了巨大作用，成为了光学领域的一个重要研究法方向。特别是在显示领域，光学胶片呈现的全息三维图像惟妙惟肖，真假难辨，受到了艺术家和博物馆的大力推崇，但是其激光曝光和胶片冲洗过程复杂，无法动态显示。IBM公司早期提出利用计算机制全息图，取代了光学胶片可以生成任意三维模型的全息图，利用微加工工艺或者空间光调制器来呈现全息图，这对加工工艺的水平以及器件的性能提出了非常苛刻的要求。由于器件分辨率限制，目前还无法达到光学胶片显示的效果。星球大战、阿凡达、钢铁侠等科幻电影里面的全息显示仍然还无法走进现实生活。

超表面技术作为近几年光学与光子技术领域的研究前沿与热点，与传统的微纳光学器件相比，在光场调控性能和微纳加工工艺两方面具有显著的优势。超表面器件被认为在提高全息显示分辨率和显示效果方面具有巨大的潜力。相对传统的计算全息显示方案，超表面全息具有亚波长分辨率，其观察角度大，空间带宽积高，具有近乎完美的光场调控性能，有望将科幻电影里面的全息显示技术彻底实现。

图一超表面具有亚微米尺寸，可以实现高分辨率和宽视角全息显示

该综述论文首先梳理了全息技术的发展历程，传统光学全息包含两个步骤：用干涉法进行波前记录和用衍射法进行波前再现。传统光学全息利用全息感光片记录干涉图样，具有很高的分辨率，但其需要真实物体来产生物光波，这限制了全息技术的发展。计算全息通过算法得到全息图中振幅和相位的数值分布的方法，摒除了需要实在的物体散射的物光和参考光进行干涉的复杂过程，能产生任意形状的物光。计算得到的全息图被加载到空间光调制器上进行显示。空间光调制器和计算全息技术的发展，极大促进了全息技术的应用。目前常用的空间光调制器是基于光程积累来实现相位调控，其像素尺寸大，导致再现像的分辨率低，显示视场角小，噪点大，且存在不需要的高阶衍射和存在孪生像。在介绍计算全息的部分，文章基于标量衍射理论，详细给出了三维全息算法如点元法、多边形法、层结构法、立体视觉法的建模和计算方法。

图二传统全息技术的两个步骤：波前记录和波前再现

随后，论文介绍了超材料的发展，其中二维超表面具有独特的优势。传统超材料色散大，损耗大，不易加工。超表面作为一种超薄、低吸收损耗，亚波长像素尺寸的超材料，可以任意调制电磁波的振幅、相位和偏振，甚至频率。超表面在平面成像、奇异光学、光束整形、光学全息技术、光束轨道角动量操控等诸多领域具有广阔的应用前景。论文详细阐述了常见超表面的工作原理并对其进行了分类，包括等离子谐振相位型、几何相位型、惠更斯原理型、传输相位型、电路相位型和非线性超表面等，并进一步分析了它们各自的优缺点及在计算全息器件上的应用。利用超表面实现全息的具体的步骤包括：(1)利用物体的三维模型数据/图像数据，根据标量衍射理论计算全息图；(2)设计超表面，得到单元的电磁波响应特性；(3)将全息图编码成超表面的控制参数，加载到超表面上；(4)利用相应波长的入射光波再现全息像。

图三超表面全息的步骤

论文选择独特的角度，从全息信息复用出发，对超表面全息进行了分类，对最近的各种超表面技术进行了比较和评述，具体包括无复用型、偏振复用型、振幅复用型、复振幅型、非线性型、多重复用型和动态调控型等。尤其对动态超表面的实现方式和目前的研究进展进行了详细的综述。常见超表面采用半导体工艺加工，各单元的几何参数在加工出来后不可变动，解决超表面的动态调控问题有非常重要的意义，论文对现有的动态调控方法进行了综述。如图3所示，超表面动态调控可以通过相变材料，可调印刷电路，液体金属等来实现，主要基于热光效应，磁场控制，光泵浦，电压加载，机械应变，载流子注入等技术。

表一不同类型的动态超表面的机理、使用材料及调制性能

论文最后归纳和总结了超表面全息的发展态势，就目前的研究来看，基于超表面的全息还需要追求更大容量信息的复用，更大面积的加工和可见光区域更低延时的实时可重构。超表面全息还有很大发展空间，未来将向着高性能、实时动态、多通道编码、芯片/光纤集成等方向发展。相比于第一代以玻璃透镜为代表的折反射光学元件和第二代以DOE为代表的衍射光学元件，超表面在设计理论、制造方面和应用领域都有颠覆性的突破，被认为是第三代新型光学器件。随着理论和加工工艺的进一步提升，超表面元器件将能在所有光电领域发挥更重要的重要，使得系统更小型化，高效化。

图四超表面在设计和制造与前两代光学元器件不同

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