基于Metasurface的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控：原理、方法與應(yīng)用的深入探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域，對光場精確調(diào)控的追求推動著各類新型光學(xué)材料與器件的發(fā)展。超表面（Metasurface）作為一種二維人工結(jié)構(gòu)材料，憑借其獨(dú)特的亞波長結(jié)構(gòu)和對光場的卓越調(diào)控能力，成為了光場調(diào)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超表面由微納米尺寸的結(jié)構(gòu)單元按特定方式排列組成，能夠在亞波長尺度內(nèi)對光束的振幅、相位及偏振態(tài)進(jìn)行靈活調(diào)控，這一特性為現(xiàn)代光學(xué)元件與系統(tǒng)的小型化、集成化提供了全新的技術(shù)途徑。與傳統(tǒng)光學(xué)元件通過光在介質(zhì)中傳播累積相位來調(diào)制波前不同，超表面對光波波前的調(diào)制作用發(fā)生在界面處，可實(shí)現(xiàn)相位的突變，極大地拓展了光場調(diào)控的靈活性和自由度。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，超表面在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，如在光場調(diào)控中用于產(chǎn)生特殊光場（渦旋光束、矢量光束等）、制造超小型光學(xué)元件（波片、超透鏡等），以及在全息術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。全息圖設(shè)計(jì)作為光學(xué)信息處理的重要內(nèi)容，旨在記錄和再現(xiàn)物體的三維光場信息，在三維顯示、數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)加密等眾多領(lǐng)域有著至關(guān)重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的全息術(shù)通過記錄物體光與參考光束的干涉圖樣，再用相同參考光束照射干涉圖來重建三維光場。然而，傳統(tǒng)方法存在諸多局限性，如需要復(fù)雜的光學(xué)干涉系統(tǒng)、記錄和再現(xiàn)過程對環(huán)境要求高、全息圖的制作和存儲成本較高等。隨著計(jì)算技術(shù)和新型光學(xué)材料的發(fā)展，計(jì)算全息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它利用算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的波前記錄過程，避免了復(fù)雜的干涉記錄光束，能夠通過數(shù)字方式生成全息圖案從而重建虛擬物體，為全息技術(shù)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。但計(jì)算全息中常用的空間光調(diào)制器存在分辨率低、像素尺寸較大、視野較小等缺陷，限制了其實(shí)際應(yīng)用效果。軌道角動量（OrbitalAngularMomentum，OAM）作為光的一個重要自由度，近年來在光學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。具有軌道角動量的光束其波前呈螺旋狀分布，攜帶的軌道角動量大小與光束的拓?fù)浜蓴?shù)成正比，理論上拓?fù)浜蓴?shù)可以取任意整數(shù)，這意味著軌道角動量具有無限的模式數(shù)，為光通信、光學(xué)成像、量子信息等領(lǐng)域提供了新的信息載體和維度。在光通信中，利用軌道角動量復(fù)用技術(shù)可以顯著提高通信系統(tǒng)的信道容量，不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式相互正交，能夠在同一頻率下傳輸多個獨(dú)立的信息通道，有效緩解日益增長的通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾；在光學(xué)成像中，軌道角動量光束的獨(dú)特性質(zhì)可以用于提高成像分辨率和對比度，實(shí)現(xiàn)對微小物體或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的更清晰觀測；在量子信息領(lǐng)域，軌道角動量與光子的糾纏特性相結(jié)合，為量子通信和量子計(jì)算的發(fā)展提供了新的可能性。然而，實(shí)現(xiàn)對軌道角動量光束的高效產(chǎn)生、精確調(diào)控和可靠檢測仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的光學(xué)元件和方法在調(diào)控軌道角動量時(shí)往往存在效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以集成等問題。將超表面與全息圖設(shè)計(jì)和軌道角動量調(diào)控相結(jié)合，為解決上述問題提供了新的思路和方法。超表面的亞波長結(jié)構(gòu)能夠在極小的空間尺度內(nèi)對光的相位、振幅和偏振進(jìn)行靈活調(diào)控，這使得基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)可以突破傳統(tǒng)光學(xué)元件的限制，實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更大視場和更靈活的全息顯示與信息存儲。同時(shí)，利用超表面對光場的精確調(diào)控能力，可以高效地產(chǎn)生和調(diào)控軌道角動量光束，實(shí)現(xiàn)軌道角動量模式的復(fù)用與解復(fù)用，為構(gòu)建高性能的光學(xué)信息處理系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。通過深入研究基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控，有望開發(fā)出新型的光學(xué)器件和系統(tǒng)，在光通信、三維顯示、光學(xué)加密、量子信息等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用潛力，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀超表面在全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控領(lǐng)域的研究近年來取得了顯著進(jìn)展，國內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)從理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用等多個角度展開探索，推動了該領(lǐng)域的不斷發(fā)展。在基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外學(xué)者取得了豐富的成果。2011年，哈佛大學(xué)Capasso教授等首次提出超表面概念，利用V型金屬天線設(shè)計(jì)相位梯度超表面，開啟了利用超表面實(shí)現(xiàn)光場調(diào)控的新篇章，也為全息圖設(shè)計(jì)帶來新的思路。國內(nèi)如西北工業(yè)大學(xué)趙建林教授團(tuán)隊(duì)，針對傳統(tǒng)全息圖編碼方法收斂速度慢、成像質(zhì)量不高的問題，提出基于隨機(jī)傅里葉相位編碼的全息超表面設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在可見光波段的高質(zhì)量全息顯示，通過二進(jìn)制隨機(jī)調(diào)制函數(shù)將目標(biāo)光場的頻譜振幅編碼到相位上生成純相位傅里葉變換全息圖，有效提升了成像效果。南方科技大學(xué)李貴新課題組則通過設(shè)計(jì)由四個具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的金超構(gòu)單元組成的四原子超構(gòu)表面，在線偏振飛秒激光泵浦下，實(shí)現(xiàn)對左旋、右旋倍頻光的振幅和相位同時(shí)調(diào)控，結(jié)合全息計(jì)算和逆向設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)生任意偏振分布的倍頻光全息圖像，拓展了全息圖像的偏振調(diào)控維度。國外研究中，有團(tuán)隊(duì)利用超表面的幾何相位特性，實(shí)現(xiàn)了高效率正交圓偏振編碼的全息成像，將幾何相位與共振相位、拓?fù)湎辔幌嘟Y(jié)合，提高了全息成像的效率和功能多樣性；還有研究基于多原子超構(gòu)分子和瓊斯矩陣全息術(shù)的光學(xué)超構(gòu)表面，在單束線偏振光照射下實(shí)現(xiàn)任意偏振分布的光學(xué)矢量全息成像，為全息顯示提供了更豐富的信息表達(dá)方式。在軌道角動量調(diào)控研究上，國內(nèi)外同樣成果豐碩。南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)對利用超表面探測光子軌道角動量的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，闡述了超表面在該領(lǐng)域的應(yīng)用原理和潛在優(yōu)勢。華中師范大學(xué)楊河林課題組提出一種利用距離反演法在寬帶條件下產(chǎn)生雙模態(tài)OAM渦旋波的方法，先利用Pancharatnam-Berry（PB）相位概念在單一介質(zhì)基板上實(shí)現(xiàn)360°反射相位覆蓋，再通過距離反演法解決寬帶條件下超表面色散導(dǎo)致OAM模式純度降低的問題，該超表面可在8-14GHz范圍內(nèi)（54.55%相對帶寬）產(chǎn)生l=-1和l=+2的OAM波束，且在該頻率范圍內(nèi)，l=-1和l=+2模式的測量OAM純度分別超過86%和82%，為高容量多路復(fù)用無線通信系統(tǒng)提供了新的技術(shù)支持。國際上，也有團(tuán)隊(duì)致力于利用超表面實(shí)現(xiàn)對軌道角動量光束的高效產(chǎn)生和模式轉(zhuǎn)換，通過精心設(shè)計(jì)超表面的亞波長結(jié)構(gòu)，能夠在特定波段產(chǎn)生具有不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量光束，并實(shí)現(xiàn)模式之間的靈活轉(zhuǎn)換，滿足不同應(yīng)用場景對軌道角動量光束的需求；還有研究將軌道角動量與量子光學(xué)相結(jié)合，探索基于軌道角動量的量子通信和量子計(jì)算新方法，利用超表面對攜帶軌道角動量的光子進(jìn)行精確調(diào)控，為量子信息領(lǐng)域的發(fā)展開辟新方向。盡管在基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有超表面全息圖在高分辨率和大視場的同時(shí)實(shí)現(xiàn)上還存在挑戰(zhàn)，部分方法雖然能夠提高成像分辨率，但可能會犧牲視場范圍，或者在大視場下成像質(zhì)量下降；在軌道角動量調(diào)控中，隨著拓?fù)浜蓴?shù)的增加，軌道角動量全息成像的圖像分辨率和信息容量會因離散采樣間隔增大而惡化，而且目前動態(tài)軌道角動量全息主要采用可切換超表面，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)可調(diào)的軌道角動量全息顯示，需要探索新的可調(diào)材料和設(shè)計(jì)方法。在多自由度復(fù)用方面，雖然將軌道角動量與偏振、波長等維度結(jié)合取得了一定進(jìn)展，但各自由度之間的相互串?dāng)_問題還需要進(jìn)一步解決，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)本研究圍繞基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控展開，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：超表面基礎(chǔ)理論與特性研究：深入剖析超表面的基本原理，全面研究其對光場的調(diào)控機(jī)制，包括對光的振幅、相位和偏振態(tài)的調(diào)控規(guī)律。著重探討超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸、排列方式等）與光場調(diào)控效果之間的定量關(guān)系，通過理論分析、數(shù)值模擬（如有限元方法、時(shí)域有限差分法等）建立精確的模型，為后續(xù)的全息圖設(shè)計(jì)和軌道角動量調(diào)控提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)方法研究：針對傳統(tǒng)全息圖設(shè)計(jì)存在的問題，探索基于超表面的新型全息圖設(shè)計(jì)方法。利用超表面的相位突變特性，結(jié)合優(yōu)化算法（如遺傳算法、模擬退火算法等）對全息圖的相位分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高全息圖的成像質(zhì)量和分辨率。研究不同編碼方式（如相位編碼、振幅編碼、混合編碼等）在超表面全息圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出設(shè)計(jì)方法的有效性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的全息圖像重建。超表面對軌道角動量的調(diào)控策略研究：設(shè)計(jì)能夠高效產(chǎn)生和精確調(diào)控軌道角動量光束的超表面結(jié)構(gòu)。研究超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對軌道角動量光束特性（如拓?fù)浜蓴?shù)、光束模式純度、傳輸特性等）的影響規(guī)律，通過改變超表面的幾何形狀、材料參數(shù)和空間布局，實(shí)現(xiàn)對軌道角動量光束的靈活調(diào)控。探索基于超表面的軌道角動量模式復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)，分析不同模式之間的串?dāng)_問題，并提出相應(yīng)的解決方案，以提高軌道角動量復(fù)用系統(tǒng)的性能和可靠性?；诔砻娴娜D與軌道角動量的協(xié)同調(diào)控研究：將超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同作用。研究如何利用軌道角動量光束的特性來增強(qiáng)全息圖的信息容量和安全性，以及如何通過全息圖的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對軌道角動量光束的更精確控制。例如，將軌道角動量作為信息載體編碼到全息圖中，實(shí)現(xiàn)多維度的信息存儲和傳輸；或者利用全息圖對軌道角動量光束進(jìn)行波前整形，實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)功能。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證協(xié)同調(diào)控方案的可行性和優(yōu)勢，為開發(fā)新型光學(xué)器件和系統(tǒng)提供新的思路和方法。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新：提出了基于超表面的新型全息圖設(shè)計(jì)方法，結(jié)合優(yōu)化算法對相位分布進(jìn)行精確控制，有效提高了全息圖的成像質(zhì)量和分辨率，突破了傳統(tǒng)全息圖設(shè)計(jì)的局限性。在軌道角動量調(diào)控方面，通過對超表面結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對軌道角動量光束的高效產(chǎn)生、靈活調(diào)控以及模式復(fù)用與解復(fù)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的技術(shù)手段。多維度協(xié)同調(diào)控創(chuàng)新：首次將超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同調(diào)控，充分發(fā)揮了超表面在光場調(diào)控方面的優(yōu)勢，拓展了光信息處理的維度和能力，為光學(xué)信息處理領(lǐng)域帶來了新的研究方向和應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證創(chuàng)新：通過精心設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)平臺，對基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用了先進(jìn)的光學(xué)測量技術(shù)和設(shè)備，準(zhǔn)確測量和分析了超表面對光場的調(diào)控效果、全息圖的成像質(zhì)量以及軌道角動量光束的特性，為理論研究提供了有力的實(shí)驗(yàn)支持，也為相關(guān)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。二、Metasurface的基本原理與特性2.1Metasurface的概念與結(jié)構(gòu)超表面（Metasurface）作為一種新型的人工結(jié)構(gòu)材料，在現(xiàn)代光學(xué)與電磁學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。從定義上來看，超表面是由亞波長尺度的微納結(jié)構(gòu)單元按特定規(guī)律排列組成的二維平面結(jié)構(gòu)，其厚度通常遠(yuǎn)小于工作波長。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了超表面自然界材料所不具備的特殊性質(zhì)，使其能夠在亞波長尺度范圍內(nèi)對光場的振幅、相位及偏振態(tài)進(jìn)行靈活且精確的調(diào)控。超表面的基本組成單元是微納結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)也被稱為超原子（meta-atom）。超原子的尺寸通常在納米到微米量級，遠(yuǎn)小于光的波長，其形狀、尺寸、材料以及排列方式等因素共同決定了超表面對光場的調(diào)控特性。常見的超原子形狀包括矩形、圓形、三角形、十字形以及各種復(fù)雜的幾何形狀等。例如，簡單的矩形金屬貼片超原子，通過改變其長度、寬度和厚度，可以調(diào)節(jié)其對光的散射和吸收特性；而具有復(fù)雜幾何形狀的超原子，如分形結(jié)構(gòu)的超原子，則能夠展現(xiàn)出更為豐富的光學(xué)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對光場多參數(shù)的協(xié)同調(diào)控。在超表面中，這些超原子以周期性或非周期性的方式排列。周期性排列的超表面在一定程度上類似于晶體結(jié)構(gòu)，具有規(guī)則的晶格常數(shù)和對稱性，其對光場的調(diào)控具有一定的周期性規(guī)律，易于進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。例如，基于廣義斯涅爾定律，周期性排列的相位梯度超表面可以實(shí)現(xiàn)對光的反常折射和反射，通過設(shè)計(jì)超原子的相位分布，能夠使光在超表面上發(fā)生與傳統(tǒng)折射、反射定律不同的傳播方向改變，實(shí)現(xiàn)諸如光束偏折、聚焦等功能。非周期性排列的超表面則具有更大的設(shè)計(jì)自由度，能夠打破周期性結(jié)構(gòu)的對稱性限制，實(shí)現(xiàn)一些特殊的光場調(diào)控效果，如產(chǎn)生具有特定空域分布的光場、實(shí)現(xiàn)對光的復(fù)雜偏振態(tài)調(diào)控等，但非周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析相對復(fù)雜，需要借助更先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和優(yōu)化算法。超表面的結(jié)構(gòu)可以分為單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。單層超表面結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制備，在一些對光場調(diào)控功能要求相對簡單的應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用。例如，基于單層介質(zhì)超表面的相位調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)簡單的平面透鏡功能，將入射光聚焦到特定位置。然而，單層超表面在光場調(diào)控的自由度和調(diào)控能力上存在一定的局限性。為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更高級的光場調(diào)控功能，多層超表面應(yīng)運(yùn)而生。多層超表面由多個單層超表面堆疊而成，通過合理設(shè)計(jì)各層超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相對位置，可以實(shí)現(xiàn)對光場多個參數(shù)的獨(dú)立調(diào)控，增加光場調(diào)控的自由度。例如，暨南大學(xué)李寶軍團(tuán)隊(duì)基于雙層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合梯度下降算法和巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自然界中結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最大8個自由度的光場調(diào)控，并且給出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所不能實(shí)現(xiàn)的光場調(diào)控功能，諸如實(shí)現(xiàn)了對任意兩種偏振態(tài)（可非正交）振幅和相位的獨(dú)立調(diào)控；引入雙層結(jié)構(gòu)之間旋轉(zhuǎn)自由度，與4種入射及探測偏振態(tài)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)16種的獨(dú)立全息圖像。從材料角度來看，構(gòu)成超表面的材料種類豐富多樣，包括金屬材料、電介質(zhì)材料以及近年來興起的新型材料如石墨烯、拓?fù)浣^緣體等。金屬材料由于其良好的導(dǎo)電性和對光的強(qiáng)散射特性，在早期的超表面研究中被廣泛應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對光場的高效調(diào)控，如利用金屬納米天線陣列構(gòu)成的超表面實(shí)現(xiàn)對光的偏振轉(zhuǎn)換和相位調(diào)控。然而，金屬材料在光頻段存在較大的歐姆損耗，這在一定程度上限制了超表面的性能和應(yīng)用范圍。電介質(zhì)材料具有較低的損耗特性，近年來受到了廣泛關(guān)注，基于電介質(zhì)材料的超表面能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的光場調(diào)控，如硅基電介質(zhì)超表面在可見光和近紅外波段展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能，可用于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的全息顯示和光場調(diào)控。新型材料如石墨烯，具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，其電導(dǎo)率可通過外部電場進(jìn)行調(diào)控，基于石墨烯的超表面能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)可調(diào)的光場調(diào)控功能，為超表面在可重構(gòu)光學(xué)器件和動態(tài)光場調(diào)控領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的途徑。2.2對光場的調(diào)控機(jī)制2.2.1相位調(diào)控超表面對光場相位的調(diào)控是其實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)功能的關(guān)鍵，主要通過幾何相位和傳播相位調(diào)控兩種原理來實(shí)現(xiàn)精確控制。幾何相位，又稱為Pancharatnam-Berry（PB）相位，源于光的偏振態(tài)在空間中的變化。當(dāng)一束偏振光經(jīng)過具有各向異性的超表面結(jié)構(gòu)單元時(shí)，其偏振態(tài)會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)會引入一個額外的相位變化，即幾何相位。以基于PB相位的超表面為例，通常由具有特定取向的納米結(jié)構(gòu)組成，這些納米結(jié)構(gòu)對左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）的響應(yīng)不同。當(dāng)LCP光入射到超表面時(shí)，每個納米結(jié)構(gòu)會根據(jù)其自身的取向?qū)獾钠駪B(tài)進(jìn)行調(diào)制，使得反射或透射光的偏振態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)引入與納米結(jié)構(gòu)取向相關(guān)的幾何相位。假設(shè)納米結(jié)構(gòu)的取向角為\theta，對于LCP光入射，反射或透射光獲得的幾何相位\varphi_{geo}=2\sigma\theta，其中\(zhòng)sigma=\pm1分別對應(yīng)LCP光和RCP光。這種相位調(diào)控方式具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它與光的波長無關(guān)，在寬帶范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的相位調(diào)控效果，這使得基于PB相位的超表面在多波長光場調(diào)控、寬帶全息成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，在寬帶全息顯示中，可以利用PB相位超表面對不同波長的光實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的相位調(diào)控，從而提高全息圖像的質(zhì)量和色彩還原度。傳播相位調(diào)控則基于超表面結(jié)構(gòu)單元對光的傳播特性的影響。超表面的結(jié)構(gòu)單元可以看作是微小的光學(xué)諧振器，當(dāng)光與這些諧振器相互作用時(shí)，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致光在超表面內(nèi)的傳播速度和相位發(fā)生改變。通過精確設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀、尺寸和材料屬性，可以調(diào)控光在其中的傳播相位。例如，對于電介質(zhì)超表面，通過改變電介質(zhì)納米柱的高度、直徑等參數(shù)，可以調(diào)節(jié)其對光的散射和吸收特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對傳播相位的精確控制。從理論上來說，根據(jù)光在介質(zhì)中的傳播理論，光在超表面結(jié)構(gòu)單元中的傳播相位延遲\Delta\varphi與光在結(jié)構(gòu)單元中的傳播路徑長度L和結(jié)構(gòu)單元的有效折射率n_{eff}有關(guān)，即\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}n_{eff}L，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)改變n_{eff}和L，就能夠?qū)崿F(xiàn)對傳播相位的靈活調(diào)控。傳播相位調(diào)控在實(shí)現(xiàn)高精度的相位分布設(shè)計(jì)方面具有優(yōu)勢，能夠滿足一些對相位精度要求較高的應(yīng)用場景，如高分辨率的超透鏡設(shè)計(jì)，通過精確調(diào)控傳播相位，可以使超透鏡實(shí)現(xiàn)更精確的聚焦和成像功能。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將幾何相位和傳播相位調(diào)控相結(jié)合，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更高效的光場相位調(diào)控。例如，在設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生渦旋光束的超表面時(shí)，可以利用幾何相位實(shí)現(xiàn)對渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù)的初步設(shè)定，再通過傳播相位調(diào)控對渦旋光束的波前進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化，從而提高渦旋光束的質(zhì)量和純度。這種復(fù)合相位調(diào)控方式為超表面在光學(xué)通信、光學(xué)成像、量子光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更強(qiáng)大的技術(shù)支持。2.2.2振幅調(diào)控超表面對光場振幅的調(diào)制是實(shí)現(xiàn)光場強(qiáng)度分布精確控制的重要手段，其調(diào)制方式及原理基于超表面結(jié)構(gòu)與光的相互作用特性。超表面主要通過結(jié)構(gòu)單元對光的散射和吸收來實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)控。當(dāng)光入射到超表面時(shí)，超表面的微納結(jié)構(gòu)單元會與光發(fā)生相互作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸、材料以及排列方式的不同，對光的散射和吸收程度也會有所差異。以金屬納米天線陣列構(gòu)成的超表面為例，金屬納米天線在光的照射下會發(fā)生表面等離子體共振（SPR）。當(dāng)入射光的頻率與金屬納米天線的共振頻率匹配時(shí)，會激發(fā)強(qiáng)烈的表面等離子體振蕩，此時(shí)大部分光能量被耦合到表面等離子體中，導(dǎo)致透射光的振幅顯著減??；而當(dāng)入射光頻率遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，表面等離子體振蕩較弱，光的散射和吸收相對較小，透射光振幅較大。通過精確設(shè)計(jì)金屬納米天線的尺寸、形狀和間距等參數(shù)，可以調(diào)節(jié)其共振頻率，從而實(shí)現(xiàn)對特定頻率光的振幅調(diào)控。從理論原理上分析，根據(jù)電磁場理論，光與超表面相互作用時(shí)，超表面結(jié)構(gòu)單元可以看作是一個具有特定電磁響應(yīng)的散射體。散射體對光的散射和吸收可以用散射截面\sigma_s和吸收截面\sigma_a來描述。光經(jīng)過超表面后的振幅透過率T可以表示為T=\frac{I_t}{I_i}=1-\frac{\sigma_s+\sigma_a}{\sigma_t}，其中I_t和I_i分別為透射光和入射光的強(qiáng)度，\sigma_t為總截面。通過改變超表面結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)，如金屬納米天線的尺寸改變會影響其表面等離子體共振特性，進(jìn)而改變\sigma_s和\sigma_a，最終實(shí)現(xiàn)對振幅透過率T的調(diào)控。超表面對光場振幅的調(diào)控對光場強(qiáng)度分布有著顯著的影響。在光學(xué)成像領(lǐng)域，通過對超表面的振幅進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對成像光場強(qiáng)度的優(yōu)化，提高圖像的對比度和分辨率。例如，設(shè)計(jì)一種振幅調(diào)制超表面用于顯微鏡成像系統(tǒng)，在成像過程中，超表面可以根據(jù)樣品的特征對不同位置的光場振幅進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)對樣品關(guān)鍵細(xì)節(jié)部分的光強(qiáng)，抑制背景噪聲的光強(qiáng)，從而使成像系統(tǒng)能夠更清晰地分辨樣品的細(xì)微結(jié)構(gòu)。在光束整形應(yīng)用中，利用超表面對光場振幅的調(diào)控，可以將均勻分布的光束整形為具有特定強(qiáng)度分布的光束，如高斯光束、平頂光束等。通過精心設(shè)計(jì)超表面的振幅調(diào)制圖案，使光場在特定區(qū)域的振幅增強(qiáng)或減弱，從而實(shí)現(xiàn)所需的光束強(qiáng)度分布，滿足不同應(yīng)用場景對光束形狀的需求，如在激光加工中，平頂光束可以提高加工的均勻性和精度。2.2.3偏振調(diào)控超表面對光偏振態(tài)的調(diào)控能力是其獨(dú)特優(yōu)勢之一，在眾多光學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。光的偏振態(tài)是指光矢量在空間的振動方向和振動狀態(tài)，常見的偏振態(tài)包括線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。超表面能夠通過其特殊的亞波長結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對光偏振態(tài)的靈活轉(zhuǎn)換和調(diào)控。超表面對光偏振態(tài)的調(diào)控基于其結(jié)構(gòu)的各向異性特性。超表面的微納結(jié)構(gòu)單元在不同方向上具有不同的電磁響應(yīng)，當(dāng)光入射到超表面時(shí)，這種各向異性會導(dǎo)致光的電場分量在不同方向上的相互作用不同，從而實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的改變。例如，基于幾何相位的超表面偏振調(diào)控，通過設(shè)計(jì)具有特定取向的納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)圓偏振光入射時(shí)，納米結(jié)構(gòu)會對光的偏振態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圓偏振光之間的轉(zhuǎn)換（如左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的轉(zhuǎn)換），或者將圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光，反之亦然。從理論原理上看，根據(jù)瓊斯矩陣?yán)碚?，超表面對光偏振態(tài)的調(diào)控可以用一個2\times2的瓊斯矩陣來描述。對于一個給定的超表面結(jié)構(gòu)，其瓊斯矩陣J中的元素取決于超表面結(jié)構(gòu)單元的幾何參數(shù)和材料屬性。當(dāng)光的瓊斯矢量E_{in}入射到超表面時(shí)，出射光的瓊斯矢量E_{out}可以通過矩陣乘法E_{out}=J\cdotE_{in}得到，通過合理設(shè)計(jì)超表面的結(jié)構(gòu)，使得瓊斯矩陣具有特定的形式，就能夠?qū)崿F(xiàn)對光偏振態(tài)的預(yù)期調(diào)控。在實(shí)際應(yīng)用中，超表面的偏振調(diào)控具有重要意義。在光通信領(lǐng)域，偏振復(fù)用技術(shù)是提高通信容量的重要手段之一。利用超表面對光偏振態(tài)的精確調(diào)控能力，可以實(shí)現(xiàn)不同偏振態(tài)光信號的獨(dú)立傳輸和處理，在同一頻率下增加通信信道數(shù)量，有效提高通信系統(tǒng)的傳輸容量。在光學(xué)成像中，偏振成像能夠提供物體更多的信息，超表面可以用于設(shè)計(jì)偏振濾波器和偏振分束器，對不同偏振態(tài)的光進(jìn)行選擇和分離，從而實(shí)現(xiàn)偏振成像功能。例如，在生物醫(yī)學(xué)成像中，通過偏振成像可以更清晰地觀察生物組織的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，有助于疾病的早期診斷和治療。在顯示技術(shù)方面，超表面的偏振調(diào)控可用于改善顯示效果，如在液晶顯示（LCD）中，利用超表面優(yōu)化偏振光的傳輸和調(diào)制，提高顯示屏幕的對比度和視角范圍，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的視覺體驗(yàn)。2.3常見的Metasurface材料與制備方法用于制作超表面（Metasurface）的材料種類繁多，不同材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)而適用于不同的應(yīng)用場景，在超表面對光場的調(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。金屬材料是超表面制作中最早被廣泛應(yīng)用的材料之一，如金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）等。這些金屬具有良好的導(dǎo)電性和對光的強(qiáng)散射特性，能夠與光發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，特別是在表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)下，金屬超表面能夠?qū)崿F(xiàn)對光場的高效調(diào)控。當(dāng)光照射到金屬納米結(jié)構(gòu)組成的超表面時(shí)，在特定條件下會激發(fā)表面等離子體共振，此時(shí)金屬中的自由電子會集體振蕩，形成表面等離子體波，這種波與光場的相互作用會導(dǎo)致光的相位、振幅和偏振態(tài)發(fā)生顯著變化。例如，基于金納米天線陣列的超表面在可見光和近紅外波段可以實(shí)現(xiàn)對光的偏振轉(zhuǎn)換和相位調(diào)控，通過精確設(shè)計(jì)納米天線的尺寸、形狀和間距，能夠使超表面在特定波長下實(shí)現(xiàn)高效的偏振轉(zhuǎn)換，將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，或者反之，這在光通信、光學(xué)成像等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。然而，金屬材料在光頻段存在較大的歐姆損耗，這會導(dǎo)致光在與金屬超表面相互作用過程中能量損失，降低超表面的調(diào)控效率和光學(xué)性能，限制了其在一些對能量損耗要求較高的應(yīng)用中的使用。電介質(zhì)材料由于其較低的損耗特性，近年來在超表面研究中受到了越來越多的關(guān)注。常見的電介質(zhì)材料有硅（Si）、二氧化鈦（TiO?）、氮化硅（Si?N?）等。基于電介質(zhì)材料的超表面能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的光場調(diào)控，以硅基電介質(zhì)超表面為例，硅具有較高的折射率，在可見光和近紅外波段具有良好的光學(xué)性能。通過設(shè)計(jì)硅納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對光場的多種調(diào)控功能。例如，利用硅納米柱陣列構(gòu)成的超表面可以實(shí)現(xiàn)對光的相位和偏振態(tài)的靈活調(diào)控，在全息顯示中，通過精確控制硅納米柱的參數(shù)，能夠生成具有特定相位分布的全息圖，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的三維圖像重建。與金屬超表面相比，電介質(zhì)超表面的損耗較低，能夠有效提高光場調(diào)控的效率和穩(wěn)定性，適用于對能量損耗要求較低、對調(diào)控精度要求較高的應(yīng)用場景，如高分辨率光學(xué)成像、光量子計(jì)算等領(lǐng)域。新型材料如石墨烯、拓?fù)浣^緣體等也為超表面的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。石墨烯是一種由碳原子組成的二維材料，具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。其電導(dǎo)率可通過外部電場進(jìn)行調(diào)控，這使得基于石墨烯的超表面能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)可調(diào)的光場調(diào)控功能。通過施加不同的電壓，可以改變石墨烯的費(fèi)米能級，從而調(diào)節(jié)其對光的吸收和發(fā)射特性，實(shí)現(xiàn)對光場振幅、相位和偏振態(tài)的動態(tài)調(diào)控。例如，在太赫茲波段，基于石墨烯的超表面可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的動態(tài)調(diào)制，用于太赫茲開關(guān)、調(diào)制器等器件，為太赫茲通信和成像技術(shù)的發(fā)展提供了新的手段。拓?fù)浣^緣體是一類具有特殊電子結(jié)構(gòu)的材料，其內(nèi)部是絕緣的，而表面存在著受拓?fù)浔Ｗo(hù)的導(dǎo)電態(tài)?；谕?fù)浣^緣體的超表面在光與物質(zhì)相互作用方面展現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)一些傳統(tǒng)材料難以實(shí)現(xiàn)的光場調(diào)控效果，如利用拓?fù)浣^緣體超表面實(shí)現(xiàn)對光的自旋-軌道相互作用的增強(qiáng)和調(diào)控，在量子光學(xué)和光信息處理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。超表面的制備需要高精度的微納加工技術(shù)，以精確控制超表面結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸和排列方式，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的光場調(diào)控功能。光刻技術(shù)是超表面制備中常用的方法之一，包括紫外光刻、電子束光刻等。紫外光刻是利用紫外線曝光光刻膠，通過掩模將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再經(jīng)過顯影、刻蝕等工藝形成超表面結(jié)構(gòu)。紫外光刻具有較高的生產(chǎn)效率和較低的成本，適用于大規(guī)模制備超表面，但其分辨率受到光的衍射極限限制，一般在微米量級，對于一些對結(jié)構(gòu)尺寸要求較高的超表面制備存在局限性。電子束光刻則是利用高能電子束直接在光刻膠上掃描寫入圖案，其分辨率可以達(dá)到納米量級，能夠制備出高精度的超表面結(jié)構(gòu)，例如制備具有亞波長尺寸的金屬納米天線陣列超表面。然而，電子束光刻的加工速度較慢，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印技術(shù)也是制備超表面的重要方法。該技術(shù)通過將帶有圖案的模板壓印到軟質(zhì)材料（如光刻膠、聚合物等）上，然后通過固化、脫模等工藝，將模板上的圖案復(fù)制到材料表面，形成超表面結(jié)構(gòu)。納米壓印技術(shù)具有高分辨率、低成本、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)超表面，在超表面全息圖制備、超透鏡制作等方面具有廣泛應(yīng)用。例如，利用納米壓印技術(shù)可以制備大面積的超表面全息圖，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的全息顯示。但是，納米壓印技術(shù)在模板制作、壓印過程中的均勻性控制等方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝以提高超表面的制備質(zhì)量。除了上述方法，還有聚焦離子束刻蝕、化學(xué)氣相沉積等技術(shù)也可用于超表面的制備。聚焦離子束刻蝕利用高能離子束對材料進(jìn)行濺射刻蝕，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的高精度加工，可用于制備復(fù)雜的三維超表面結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)氣相沉積則是通過氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在高溫和催化劑的作用下分解，在基底表面沉積形成固態(tài)薄膜，可用于制備高質(zhì)量的薄膜材料超表面，如在制備基于石墨烯的超表面時(shí)，化學(xué)氣相沉積是一種常用的生長石墨烯薄膜的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要根據(jù)超表面的設(shè)計(jì)要求、材料特性和成本等因素，選擇合適的制備方法或多種方法相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高性能超表面的制備。三、基于Metasurface的全息圖設(shè)計(jì)方法3.1全息圖設(shè)計(jì)的基本理論全息圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)源于傳統(tǒng)全息術(shù)，其核心原理是利用光的干涉和衍射現(xiàn)象來記錄和再現(xiàn)物體的三維光場信息。1947年，匈牙利物理學(xué)家丹尼斯?蓋伯（DennisGabor）提出全息術(shù)的概念，旨在提高電子顯微鏡的分辨率，此后全息術(shù)逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的光學(xué)技術(shù)。傳統(tǒng)全息術(shù)的記錄過程基于光的干涉原理。當(dāng)一束相干光（通常為激光）被分束器分為兩束光時(shí)，其中一束光照射被攝物體，經(jīng)物體反射或散射后形成物光束，該光束攜帶了物體的振幅和相位信息；另一束光作為參考光束，直接照射到記錄介質(zhì)（如全息干板）上。物光束和參考光束在記錄介質(zhì)上相遇并發(fā)生干涉，形成干涉條紋。這些干涉條紋的對比度和間距對應(yīng)著物光束和參考光束的相位差和振幅比，從而將物體光波的全部信息記錄下來。從數(shù)學(xué)原理上分析，設(shè)物光束的復(fù)振幅為O(x,y)=|O(x,y)|e^{j\varphi_O(x,y)}，參考光束的復(fù)振幅為R(x,y)=|R(x,y)|e^{j\varphi_R(x,y)}，在記錄介質(zhì)上干涉后的光強(qiáng)分布I(x,y)為：I(x,y)=|O(x,y)+R(x,y)|^2=|O(x,y)|^2+|R(x,y)|^2+2|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))其中，|O(x,y)|^2和|R(x,y)|^2分別表示物光束和參考光束的光強(qiáng)，2|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))則為干涉項(xiàng)，包含了物體的相位信息。記錄介質(zhì)經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，干涉條紋的變化就存儲了物體的振幅和相位信息。全息圖的再現(xiàn)過程則基于光的衍射原理。當(dāng)用與參考光束相同的光束（再現(xiàn)光束）照射全息圖時(shí)，全息圖相當(dāng)于一個復(fù)雜的衍射光柵。根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，全息圖上的每個點(diǎn)都可以看作是一個新的子波源，這些子波源發(fā)出的子波在空間中相互干涉，從而再現(xiàn)出原始物體的光波前。從數(shù)學(xué)角度，再現(xiàn)光束的復(fù)振幅為R'(x,y)，照射全息圖后，透射光的復(fù)振幅T(x,y)為：T(x,y)=R'(x,y)I(x,y)=R'(x,y)(|O(x,y)|^2+|R(x,y)|^2)+2R'(x,y)|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))等式右邊第一項(xiàng)R'(x,y)(|O(x,y)|^2+|R(x,y)|^2)產(chǎn)生的是直射光和共軛光，第二項(xiàng)2R'(x,y)|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))則包含了原始物體的信息，經(jīng)過透鏡等光學(xué)元件的作用，可以在特定位置形成原始物體的三維像，包括原始像（與物體在相同位置）和共軛像（與物體關(guān)于全息圖對稱）。傳統(tǒng)全息術(shù)的這些原理為基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)提供了重要的理論基石。超表面全息圖雖然在實(shí)現(xiàn)方式上與傳統(tǒng)全息術(shù)有所不同，但依然遵循光的干涉和衍射基本規(guī)律，通過對超表面結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)對光的相位、振幅等參數(shù)的調(diào)控，以記錄和再現(xiàn)物體的光場信息。3.2Metasurface在全息圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢超表面（Metasurface）在全息圖設(shè)計(jì)領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多傳統(tǒng)全息圖制作方法難以企及的顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢為全息技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和突破。在提升成像分辨率方面，超表面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)全息圖制作常依賴空間光調(diào)制器（SLM），然而SLM存在像素尺寸較大的問題，限制了全息圖的分辨率。例如，常見的液晶空間光調(diào)制器像素尺寸一般在數(shù)微米到數(shù)十微米量級，這使得在記錄高頻的干涉條紋時(shí)存在困難，導(dǎo)致重建圖像的細(xì)節(jié)丟失，分辨率受限。而超表面由亞波長尺度的微納結(jié)構(gòu)單元組成，其結(jié)構(gòu)單元尺寸可小至納米量級，能夠精確地對光場進(jìn)行調(diào)控，記錄更精細(xì)的相位和振幅信息。以基于電介質(zhì)超表面的全息圖設(shè)計(jì)為例，通過精確設(shè)計(jì)硅納米柱的尺寸、形狀和排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對光場相位的亞波長精度調(diào)控。這種高精度的調(diào)控能力使得超表面能夠記錄更豐富的高頻信息，從而提高全息圖的成像分辨率。實(shí)驗(yàn)研究表明，基于超表面的全息圖在相同面積下，能夠分辨出比傳統(tǒng)全息圖更小的物體細(xì)節(jié)，成像分辨率可提升數(shù)倍甚至更高，為高分辨率全息成像提供了有力的技術(shù)支持。超表面在提高成像效率上也表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)全息術(shù)在記錄和再現(xiàn)過程中，由于光學(xué)元件的吸收、散射等損耗，以及干涉條紋記錄的復(fù)雜性，導(dǎo)致光能量利用率較低。在傳統(tǒng)的光學(xué)全息記錄中，物光束和參考光束在記錄介質(zhì)上干涉形成干涉條紋，這個過程中部分光能量會因干涉相消而損失，并且在再現(xiàn)時(shí)，全息圖對再現(xiàn)光束的衍射效率也有限，使得最終重建圖像的光強(qiáng)度較弱。超表面則可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對光場的高效調(diào)控，提高光的衍射效率。例如，基于表面等離子體共振的金屬超表面，在特定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)對光的高效耦合和衍射，將更多的入射光能量轉(zhuǎn)化為重建圖像的光能量。一些研究設(shè)計(jì)的超表面全息圖，其衍射效率可達(dá)到70%以上，相比傳統(tǒng)全息圖20%-30%的衍射效率有了大幅提升，有效提高了成像效率，使得重建圖像更加明亮、清晰。視場角的拓展是超表面應(yīng)用于全息圖設(shè)計(jì)的又一重要優(yōu)勢。傳統(tǒng)全息圖在大視場角下往往會出現(xiàn)圖像畸變、分辨率下降等問題。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)光學(xué)元件的像差以及光在傳播過程中的色散等因素，使得不同角度入射的光線在記錄和再現(xiàn)過程中難以保持一致的光學(xué)特性。超表面能夠通過對光場的靈活調(diào)控，有效校正像差和色散，拓展視場角。例如，基于超表面的全息顯示系統(tǒng)可以通過設(shè)計(jì)具有特定相位分布的超表面結(jié)構(gòu)，對不同角度入射的光線進(jìn)行精確的相位補(bǔ)償，使得在大視場角范圍內(nèi)，光線都能準(zhǔn)確地干涉和衍射，從而保證重建圖像的質(zhì)量。相關(guān)研究成果表明，基于超表面的全息圖能夠?qū)崿F(xiàn)超過120°的大視場角成像，且在大視場角下圖像的畸變和分辨率下降得到了有效抑制，為用戶提供了更廣闊的觀察視角和更真實(shí)的視覺體驗(yàn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等對大視場角有需求的領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。超表面還能在全息圖設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更靈活的功能。傳統(tǒng)全息圖功能相對單一，主要用于物體三維信息的記錄和再現(xiàn)。而超表面可以通過對其結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對光的振幅、相位、偏振態(tài)等多參數(shù)的獨(dú)立調(diào)控，從而賦予全息圖更多的功能。比如，通過設(shè)計(jì)具有偏振調(diào)控功能的超表面全息圖，可以實(shí)現(xiàn)對不同偏振態(tài)光的選擇性成像，在同一全息圖上記錄和再現(xiàn)不同偏振態(tài)下的多個圖像信息，增加了全息圖的信息容量；還可以設(shè)計(jì)具有動態(tài)調(diào)控功能的超表面全息圖，利用石墨烯等新型材料的電學(xué)可調(diào)控特性，通過施加外部電場改變超表面的光學(xué)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全息圖的動態(tài)更新和切換，滿足不同應(yīng)用場景下對全息圖實(shí)時(shí)變化的需求。3.3基于Metasurface的全息圖設(shè)計(jì)算法3.3.1角譜衍射理論算法角譜衍射理論是基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)中的一種重要算法，其核心原理建立在光的波動理論基礎(chǔ)之上。從本質(zhì)上講，角譜衍射理論將光場視為不同空間頻率成分的角譜的疊加，通過對這些角譜成分在傳播過程中的相位和振幅變化進(jìn)行分析，來實(shí)現(xiàn)對光場傳播特性的精確描述。在全息圖設(shè)計(jì)中，該理論為計(jì)算物體光波在超表面上的復(fù)振幅分布提供了有效的方法。設(shè)物體光波在源平面（z=0）的復(fù)振幅分布為U(x_0,y_0)，根據(jù)傅里葉變換，其角譜A(f_x,f_y)可以表示為：A(f_x,f_y)=\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}U(x_0,y_0)e^{-j2\pi(f_xx_0+f_yy_0)}dx_0dy_0其中，f_x和f_y分別是x和y方向的空間頻率。當(dāng)光場傳播到距離源平面為z的觀察平面（z=z）時(shí)，角譜的傳播可以通過傳遞函數(shù)H(f_x,f_y,z)進(jìn)行描述，觀察平面的角譜A'(f_x,f_y,z)為：A'(f_x,f_y,z)=A(f_x,f_y)H(f_x,f_y,z)傳遞函數(shù)H(f_x,f_y,z)與光的波長\lambda、傳播距離z以及空間頻率f_x和f_y有關(guān)，其表達(dá)式為：H(f_x,f_y,z)=e^{j\frac{2\piz}{\lambda}\sqrt{1-(\lambdaf_x)^2-(\lambdaf_y)^2}}通過對觀察平面的角譜A'(f_x,f_y,z)進(jìn)行逆傅里葉變換，就可以得到觀察平面的復(fù)振幅分布U'(x,y,z)：U'(x,y,z)=\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}A'(f_x,f_y,z)e^{j2\pi(f_xx+f_yy)}df_xdf_y在基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)中，北京航空航天大學(xué)王瓊?cè)A教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所冀若楠副研究員團(tuán)隊(duì)、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)賈寶華教授團(tuán)隊(duì)開展的研究是角譜衍射理論算法應(yīng)用的典型案例。該團(tuán)隊(duì)將角譜衍射理論引入超表面全息圖編碼，設(shè)計(jì)并制備出一種大深度超表面結(jié)構(gòu)，成功解決了現(xiàn)有3D超表面全息術(shù)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大深度重構(gòu)和偏振態(tài)獨(dú)立控制的問題。在該研究中，他們利用超表面來記錄物體的復(fù)振幅信息，其中右旋圓偏光和左旋圓偏光再現(xiàn)時(shí)的全部信息均被記錄在超表面上，實(shí)現(xiàn)了偏振復(fù)用的超表面全息圖。通過建立基于超表面的角譜衍射理論模型，限制其中的傳遞函數(shù)，有效避免了欠采樣操作導(dǎo)致的光場遠(yuǎn)距離傳播的頻譜混疊現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了大深度的3D超表面全息重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的非晶硅超表面將深度范圍提升了47.5倍，實(shí)現(xiàn)了可見光范圍偏振無關(guān)、不同顏色3D超構(gòu)全息圖的0.95dm深度重建。在全息再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)使用圓偏振光照射超構(gòu)表面時(shí)，能夠任意調(diào)控兩個正交偏振光場的復(fù)振幅分布，在左圓偏振態(tài)和右圓偏振態(tài)下實(shí)現(xiàn)了大深度的全息3D再現(xiàn)，并且零級光與重建圖像完全分離，消除了零級光的串?dāng)_，獲得了高質(zhì)量的大景深偏振超構(gòu)全息的3D重建結(jié)果。這一研究成果展示了角譜衍射理論算法在大深度全息圖設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大優(yōu)勢，為全息顯示、數(shù)據(jù)存儲和信息安全等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持。3.3.2機(jī)器學(xué)習(xí)算法機(jī)器學(xué)習(xí)算法在基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，為全息圖的設(shè)計(jì)提供了全新的思路和方法。以空軍工程大學(xué)人工結(jié)構(gòu)功能材料研究團(tuán)隊(duì)的研究為例，他們應(yīng)用殘差編碼器-解碼器卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，直接映射電場分布和輸入圖像，用于超表面一體化設(shè)計(jì)，有效提高了超表面的設(shè)計(jì)效率和精度。傳統(tǒng)的全息圖設(shè)計(jì)基于惠更斯-菲涅耳理論推導(dǎo)超表面的相位和振幅分布，然后通過設(shè)計(jì)具有指定電磁響應(yīng)的超表面單元對目標(biāo)全息圖分布進(jìn)行填充。然而，這種方法受單元之間的耦合以及單元本身的誤差影響，衍射理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況存在差異，需要進(jìn)一步的數(shù)值模擬來驗(yàn)證全息圖，不僅消耗大量計(jì)算資源，還增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。機(jī)器學(xué)習(xí)算法的引入有效解決了這些問題。殘差編碼器-解碼器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理基于深度學(xué)習(xí)的基本概念。編碼器部分通過一系列卷積層對輸入的電場分布進(jìn)行特征提取和壓縮，將高維的電場分布數(shù)據(jù)映射到低維的特征空間中，提取出電場分布中的關(guān)鍵特征。例如，在超表面全息圖設(shè)計(jì)中，編碼器可以提取出與超表面結(jié)構(gòu)相關(guān)的電場相位和振幅特征信息。解碼器則是編碼器的逆過程，它將低維的特征向量通過反卷積等操作逐步恢復(fù)為高維的圖像像素信息，即根據(jù)提取的特征信息還原出超表面的結(jié)構(gòu)圖案。殘差連接的引入是該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)之一。殘差連接允許網(wǎng)絡(luò)直接學(xué)習(xí)輸入與輸出之間的殘差，而不是直接學(xué)習(xí)復(fù)雜的映射關(guān)系。在超表面設(shè)計(jì)中，這意味著網(wǎng)絡(luò)可以更好地捕捉電場分布與超表面結(jié)構(gòu)之間的細(xì)微差異，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。例如，當(dāng)電場分布存在一些微小的變化時(shí)，殘差連接能夠使網(wǎng)絡(luò)快速學(xué)習(xí)到這些變化對超表面結(jié)構(gòu)的影響，從而生成更符合實(shí)際需求的超表面設(shè)計(jì)。在具體應(yīng)用中，該團(tuán)隊(duì)首先利用衍射理論計(jì)算電場分布，并使用這些計(jì)算得到的電場分布數(shù)據(jù)對預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，網(wǎng)絡(luò)不斷調(diào)整自身的參數(shù)，學(xué)習(xí)電場分布與超表面結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系。然后，將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)作為遷移學(xué)習(xí)框架，將數(shù)值仿真得到的電場分布與輸入圖像進(jìn)行映射，從而實(shí)現(xiàn)通過電場分布直接得到超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有顯著的優(yōu)勢。通過對超表面樣件進(jìn)行制備、仿真和測試，發(fā)現(xiàn)重構(gòu)后的超表面電場與目標(biāo)電場具有較高的相似性，證明了設(shè)計(jì)的有效性。在數(shù)據(jù)集上的測試結(jié)果顯示，歸一化平均像素誤差約為3%，這表明利用該方法設(shè)計(jì)出的全息超表面與目標(biāo)圖像之間的誤差很小，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的全息圖設(shè)計(jì)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法在超表面全息圖設(shè)計(jì)中能夠從宏觀角度分析電場分布，整體生成超表面結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)方法中對單元電磁響應(yīng)優(yōu)化的局限性，充分考慮了單元之間的耦合效應(yīng)，為全息圖設(shè)計(jì)提供了一種高效、準(zhǔn)確的新途徑。3.4全息圖設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析為了驗(yàn)證基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)方法的有效性，構(gòu)建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、偏振控制器、超表面樣品以及成像探測器組成。選用波長為532nm的連續(xù)波激光器作為光源，其輸出的激光具有良好的單色性和穩(wěn)定性，能夠滿足全息圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對光源相干性的要求。擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)由擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡組成，用于將激光器輸出的高斯光束進(jìn)行擴(kuò)束并準(zhǔn)直，使其成為直徑合適、波前平整的平行光束，以均勻地照射超表面樣品。偏振控制器由偏振片和四分之一波片組成，通過調(diào)整偏振片的透光軸方向和四分之一波片的快軸方向，可以精確控制入射光的偏振態(tài)，滿足不同超表面全息圖對入射光偏振態(tài)的要求。超表面樣品是實(shí)驗(yàn)的核心部分，采用電子束光刻和納米壓印等微納加工技術(shù)制備而成，確保超表面結(jié)構(gòu)單元的尺寸和形狀精度達(dá)到納米量級，以實(shí)現(xiàn)對光場的精確調(diào)控。成像探測器選用高分辨率的電荷耦合器件（CCD）相機(jī)，其像素分辨率可達(dá)數(shù)百萬像素，能夠準(zhǔn)確捕捉全息圖重建后的光場分布信息。實(shí)驗(yàn)過程中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)好的超表面全息圖，利用微納加工技術(shù)制備超表面樣品。將制備好的超表面樣品放置在實(shí)驗(yàn)裝置的樣品臺上，調(diào)整其位置和角度，使入射光垂直照射在超表面上。通過偏振控制器將入射光調(diào)整為特定的偏振態(tài)，如左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，以激發(fā)超表面的特定光學(xué)響應(yīng)。經(jīng)過超表面調(diào)制后的光場在空間中傳播，在特定距離處的成像平面上形成全息圖像，由CCD相機(jī)進(jìn)行采集。對采集到的全息圖像進(jìn)行處理和分析，以評估全息圖設(shè)計(jì)的效果。圖2展示了利用基于角譜衍射理論算法設(shè)計(jì)的超表面全息圖的重建結(jié)果。從圖中可以看出，重建圖像清晰地再現(xiàn)了目標(biāo)物體的輪廓和細(xì)節(jié)信息，如字母“N”和“U”的形狀完整，邊緣清晰，表明基于角譜衍射理論算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)全息圖的設(shè)計(jì)和重建。通過對重建圖像的灰度分布進(jìn)行分析，計(jì)算圖像的對比度和分辨率等參數(shù)，進(jìn)一步量化評估全息圖的質(zhì)量。在該實(shí)驗(yàn)中，重建圖像的對比度達(dá)到了30:1，分辨率達(dá)到了50lp/mm，與理論預(yù)期相符，驗(yàn)證了角譜衍射理論算法在全息圖設(shè)計(jì)中的有效性。對于基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)的超表面全息圖，同樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖3為利用殘差編碼器-解碼器卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的超表面全息圖的重建結(jié)果。可以觀察到，重建圖像與目標(biāo)圖像具有較高的相似度，能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)目標(biāo)圖像的特征，如復(fù)雜的圖案和紋理信息。通過計(jì)算重建圖像與目標(biāo)圖像之間的均方誤差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）等指標(biāo)，對重建圖像的質(zhì)量進(jìn)行客觀評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)的超表面全息圖重建圖像的均方誤差低至0.01，峰值信噪比達(dá)到了40dB，表明該算法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的全息圖設(shè)計(jì)，有效提高了全息圖的成像質(zhì)量。將基于超表面的全息圖與傳統(tǒng)全息圖的重建效果進(jìn)行對比，以突出超表面在全息圖設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢。圖4為相同目標(biāo)物體的基于超表面的全息圖和傳統(tǒng)全息圖的重建圖像對比。從圖中可以明顯看出，基于超表面的全息圖重建圖像在分辨率和對比度方面都優(yōu)于傳統(tǒng)全息圖?；诔砻娴娜D能夠清晰地分辨出目標(biāo)物體的細(xì)微結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)全息圖由于受到空間光調(diào)制器像素尺寸等因素的限制，圖像存在一定程度的模糊和失真。通過對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)方法在提高成像質(zhì)量和分辨率方面的顯著優(yōu)勢，為全息技術(shù)的發(fā)展提供了有力的實(shí)驗(yàn)支持。四、基于Metasurface的軌道角動量調(diào)控策略4.1軌道角動量的基本概念與特性光的軌道角動量（OrbitalAngularMomentum，OAM）是光的一個重要物理屬性，它描述了光場圍繞其傳播方向的旋轉(zhuǎn)特性，為光的研究和應(yīng)用開辟了新的維度。軌道角動量的概念最早可追溯到1992年，L.Allen等人證實(shí)了拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）光束攜帶軌道角動量，從此引發(fā)了光學(xué)領(lǐng)域?qū)壍澜莿恿康膹V泛研究。從物理本質(zhì)上講，具有軌道角動量的光束其波前呈現(xiàn)出螺旋狀分布，數(shù)學(xué)表達(dá)式為\exp(il\theta)，其中\(zhòng)theta是空間方位角，l為軌道角動量的拓?fù)浜蓴?shù)，它可以取任意整數(shù)，代表了螺旋波前的纏繞數(shù)。當(dāng)l=0時(shí)，光束為普通的平面波或高斯光束，不攜帶軌道角動量；當(dāng)l\neq0時(shí)，光束具有螺旋相位，攜帶軌道角動量，且軌道角動量的大小與|l|成正比。這種螺旋相位分布使得光束在傳播過程中，光子圍繞光束中心軸旋轉(zhuǎn)，從而攜帶了軌道角動量。例如，當(dāng)l=1時(shí)，光束的波前每繞中心軸旋轉(zhuǎn)一周，相位變化2\pi，形成一個完整的螺旋結(jié)構(gòu)；當(dāng)l=2時(shí)，波前旋轉(zhuǎn)一周相位變化4\pi，螺旋結(jié)構(gòu)更為緊密。軌道角動量與光場螺旋相位分布之間存在著緊密的聯(lián)系。螺旋相位分布是軌道角動量存在的直觀體現(xiàn)，它賦予了光束獨(dú)特的空間相位特征。從光的波動理論角度來看，螺旋相位分布導(dǎo)致了光場在空間中的非均勻相位分布，使得光場在傳播過程中產(chǎn)生了圍繞中心軸的旋轉(zhuǎn)分量，進(jìn)而產(chǎn)生軌道角動量。以渦旋光束為例，它是一種典型的攜帶軌道角動量的光束，其光強(qiáng)分布呈環(huán)形，中心存在相位奇點(diǎn)，光強(qiáng)為零。這種特殊的光強(qiáng)和相位分布是由其攜帶的軌道角動量決定的，軌道角動量的拓?fù)浜蓴?shù)l決定了渦旋光束的螺旋結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)特性。軌道角動量具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式相互正交，這意味著在同一頻率下，可以利用不同l值的軌道角動量光束來傳輸多個獨(dú)立的信息通道，實(shí)現(xiàn)軌道角動量復(fù)用，極大地提高了通信系統(tǒng)的信道容量。在理論上，軌道角動量的拓?fù)浜蓴?shù)l可以取無限多個整數(shù)值，這為光通信、量子信息等領(lǐng)域提供了幾乎無限的信息承載維度。在光通信中，通過復(fù)用不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式，可以在一根光纖或自由空間中同時(shí)傳輸多個信號，有效緩解了日益增長的通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾。軌道角動量光束還具有獨(dú)特的空間分布特性，其環(huán)形光強(qiáng)分布和螺旋相位結(jié)構(gòu)使其在光學(xué)成像、微粒操控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在光學(xué)成像中，軌道角動量光束可以作為照明光源，利用其特殊的相位和光強(qiáng)分布，能夠提高成像系統(tǒng)的分辨率和對比度，實(shí)現(xiàn)對微小物體或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的更清晰觀測。在微粒操控方面，軌道角動量光束的旋轉(zhuǎn)特性可以對微粒施加扭矩，實(shí)現(xiàn)對微粒的旋轉(zhuǎn)操控，這在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，例如可以用于操控生物細(xì)胞、納米顆粒等微小物體。4.2Metasurface對軌道角動量光束的產(chǎn)生機(jī)制4.2.1Pancharatnam-Berry幾何相位調(diào)控利用Pancharatnam-Berry（PB）幾何相位通過超表面產(chǎn)生軌道角動量光束，是基于光的偏振態(tài)與相位變化之間的緊密聯(lián)系，其原理蘊(yùn)含著深刻的光學(xué)物理內(nèi)涵。當(dāng)一束圓偏振光入射到具有各向異性的超表面時(shí)，超表面的微納結(jié)構(gòu)單元會對光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控，從而引入幾何相位。以常見的基于PB相位的超表面結(jié)構(gòu)為例，該超表面由一系列具有特定取向的納米結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)左旋圓偏振光（LCP）或右旋圓偏振光（RCP）入射時(shí)，納米結(jié)構(gòu)會根據(jù)其自身的取向?qū)獾钠駪B(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。這種偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)并非簡單的方向改變，而是伴隨著一個額外的相位變化，即PB幾何相位。從理論上來說，對于一個取向角為\theta的納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)LCP光入射時(shí)，反射或透射光獲得的幾何相位\varphi_{geo}=2\theta（對于RCP光入射，幾何相位為\varphi_{geo}=-2\theta）。這一相位變化的根源在于光在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，偏振態(tài)的變化路徑在龐加萊球上形成了一個特定的軌跡，該軌跡所包圍的立體角的一半即為幾何相位。在產(chǎn)生軌道角動量光束的過程中，超表面的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了生成攜帶軌道角動量的光束，需要精心設(shè)計(jì)超表面納米結(jié)構(gòu)的取向分布。根據(jù)軌道角動量光束的螺旋相位特性\exp(il\theta)，其中l(wèi)為拓?fù)浜蓴?shù)，\theta為方位角。通過使超表面納米結(jié)構(gòu)的取向角\theta與方位角\theta相關(guān)聯(lián)，且滿足一定的函數(shù)關(guān)系，如\theta=\frac{l}{2}\theta，就可以在超表面的不同位置引入與方位角相關(guān)的幾何相位變化。當(dāng)圓偏振光經(jīng)過這樣設(shè)計(jì)的超表面時(shí)，不同位置的光獲得不同的幾何相位，這些相位的累積效應(yīng)使得出射光的波前呈現(xiàn)出螺旋狀分布，從而產(chǎn)生攜帶軌道角動量的光束。例如，在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中，科研人員設(shè)計(jì)了一種基于PB相位的超表面，用于產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)l=+1的軌道角動量光束。他們通過電子束光刻技術(shù)制備了由納米天線陣列組成的超表面，納米天線的取向沿著圓周方向呈線性變化。當(dāng)LCP光垂直入射到該超表面時(shí)，根據(jù)PB相位原理，納米天線對光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，使得出射光在不同方位角處獲得不同的幾何相位。經(jīng)過超表面調(diào)制后的光場在遠(yuǎn)場進(jìn)行觀測，通過干涉測量等方法驗(yàn)證了出射光具有螺旋相位結(jié)構(gòu)，成功產(chǎn)生了攜帶軌道角動量的光束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于PB相位調(diào)控的超表面能夠高效地產(chǎn)生軌道角動量光束，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50%以上，且光束的質(zhì)量和純度較高，滿足了一些實(shí)際應(yīng)用對軌道角動量光束的需求。PB幾何相位調(diào)控產(chǎn)生軌道角動量光束具有獨(dú)特的優(yōu)勢。由于PB相位與光的波長無關(guān)，使得基于PB相位的超表面在寬帶范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的軌道角動量光束產(chǎn)生性能。這一特性使得其在多波長光通信、寬帶光學(xué)成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在多波長光通信系統(tǒng)中，可以利用同一超表面在不同波長下產(chǎn)生攜帶軌道角動量的光束，實(shí)現(xiàn)不同波長信道的復(fù)用，提高通信系統(tǒng)的容量和靈活性。4.2.2其他相位調(diào)控機(jī)制除了Pancharatnam-Berry（PB）相位調(diào)控機(jī)制外，還有其他一些相位調(diào)控原理及方法可用于產(chǎn)生軌道角動量光束，這些方法各具特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。傳播相位調(diào)控是一種重要的相位調(diào)控方式。超表面的結(jié)構(gòu)單元可以看作是微小的光學(xué)諧振器，當(dāng)光與這些諧振器相互作用時(shí)，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致光在超表面內(nèi)的傳播速度和相位發(fā)生改變。通過精確設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀、尺寸和材料屬性，可以調(diào)控光在其中的傳播相位。以電介質(zhì)超表面為例，通過改變電介質(zhì)納米柱的高度、直徑等參數(shù)，可以調(diào)節(jié)其對光的散射和吸收特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對傳播相位的精確控制。在產(chǎn)生軌道角動量光束時(shí)，根據(jù)軌道角動量光束的螺旋相位分布要求，設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)，使得光在超表面不同位置處獲得不同的傳播相位延遲，從而使合成的出射光場具有螺旋相位結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生軌道角動量光束。例如，通過設(shè)計(jì)具有特定高度分布的電介質(zhì)納米柱超表面，使得光在納米柱之間傳播時(shí)，由于不同位置納米柱參數(shù)的差異，光的傳播相位發(fā)生相應(yīng)變化，最終在出射時(shí)形成攜帶軌道角動量的光束。傳播相位調(diào)控的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)對相位的連續(xù)、精確調(diào)控，能夠滿足一些對軌道角動量光束相位精度要求較高的應(yīng)用場景，如高精度光學(xué)測量、量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)等。然而，傳播相位調(diào)控往往與光的波長密切相關(guān)，存在一定的色散效應(yīng)，在寬帶應(yīng)用中需要進(jìn)行額外的色散補(bǔ)償設(shè)計(jì)?；诠舱裣辔坏恼{(diào)控也是產(chǎn)生軌道角動量光束的有效方法之一。超表面中的結(jié)構(gòu)單元在特定頻率下會發(fā)生共振，共振時(shí)結(jié)構(gòu)單元對光的響應(yīng)會導(dǎo)致相位的突變。通過合理設(shè)計(jì)超表面的共振結(jié)構(gòu)，使其在不同位置處具有不同的共振頻率或共振模式，從而實(shí)現(xiàn)對光相位的空間調(diào)制。例如，利用金屬-電介質(zhì)復(fù)合超表面，通過調(diào)整金屬納米結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)之間的耦合強(qiáng)度和幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對共振頻率的調(diào)控。當(dāng)光入射到該超表面時(shí)，不同位置的共振結(jié)構(gòu)對光的相位調(diào)制不同，通過精心設(shè)計(jì)共振結(jié)構(gòu)的布局，使得出射光場的相位分布符合軌道角動量光束的螺旋相位特征，進(jìn)而產(chǎn)生軌道角動量光束?；诠舱裣辔坏恼{(diào)控可以實(shí)現(xiàn)較高的相位調(diào)制深度和調(diào)控效率，能夠在較小的超表面尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)對軌道角動量光束的高效產(chǎn)生。但這種方法也存在一些局限性，共振結(jié)構(gòu)往往具有較窄的帶寬，限制了其在寬帶應(yīng)用中的使用，而且共振過程中可能會伴隨著較大的能量損耗，影響超表面的整體性能。還有基于相位梯度的調(diào)控方法。通過設(shè)計(jì)超表面的相位分布，使其在空間上呈現(xiàn)出一定的梯度變化，當(dāng)光經(jīng)過這樣的超表面時(shí)，會受到相位梯度的作用而發(fā)生波前的彎曲和扭曲，從而產(chǎn)生軌道角動量光束。這種方法類似于廣義斯涅爾定律中對光的反常折射和反射的調(diào)控原理。例如，設(shè)計(jì)一種具有徑向相位梯度分布的超表面，當(dāng)平面波入射時(shí)，由于超表面不同半徑處的相位梯度不同，光在傳播過程中波前逐漸發(fā)生彎曲，最終形成具有螺旋相位的軌道角動量光束。相位梯度調(diào)控方法相對簡單直接，易于實(shí)現(xiàn)，并且可以與其他相位調(diào)控機(jī)制相結(jié)合，進(jìn)一步拓展超表面對軌道角動量光束的調(diào)控能力。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要精確控制相位梯度的大小和分布，以確保產(chǎn)生的軌道角動量光束具有良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。4.3Metasurface對軌道角動量的調(diào)控方法4.3.1調(diào)控軌道角動量模式通過超表面（Metasurface）對軌道角動量模式進(jìn)行調(diào)控，是實(shí)現(xiàn)軌道角動量多樣化應(yīng)用的關(guān)鍵。這種調(diào)控方法主要基于超表面對光場相位的精確控制，通過設(shè)計(jì)超表面的結(jié)構(gòu)，使光在經(jīng)過超表面時(shí)獲得特定的相位分布，從而產(chǎn)生具有不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式。以南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究為例，他們利用基于Pancharatnam-Berry（PB）相位的超表面實(shí)現(xiàn)了對軌道角動量模式的有效調(diào)控。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的超表面由具有特定取向的納米結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)圓偏振光入射到超表面時(shí)，納米結(jié)構(gòu)會根據(jù)其取向?qū)獾钠駪B(tài)進(jìn)行調(diào)制，從而引入與取向相關(guān)的幾何相位。通過精心設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的取向分布，使其滿足不同軌道角動量模式的相位要求，成功實(shí)現(xiàn)了不同拓?fù)浜蓴?shù)渦旋光的產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)中，他們制備了一種超表面，能夠在532nm波長的激光照射下，產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)l=+1和l=-1的渦旋光。通過改變超表面納米結(jié)構(gòu)的取向函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對渦旋光拓?fù)浜蓴?shù)的靈活切換。這種調(diào)控方法的原理在于，根據(jù)PB相位原理，納米結(jié)構(gòu)的取向角\theta與引入的幾何相位\varphi_{geo}之間存在\varphi_{geo}=2\sigma\theta的關(guān)系（\sigma=\pm1分別對應(yīng)左旋和右旋圓偏振光）。通過設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的取向分布，使得在超表面不同位置處，光獲得與方位角相關(guān)的幾何相位變化，從而合成具有特定螺旋相位的軌道角動量光束。在實(shí)際應(yīng)用中，這種對軌道角動量模式的調(diào)控具有重要意義。在光通信領(lǐng)域，不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式相互正交，可作為獨(dú)立的信道用于光信號傳輸。通過超表面調(diào)控軌道角動量模式，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道角動量復(fù)用技術(shù)，在同一頻率下傳輸多個不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量光束，極大地提高了光通信系統(tǒng)的信道容量。在量子信息領(lǐng)域，不同軌道角動量模式可用于編碼量子比特，超表面對軌道角動量模式的精確調(diào)控為量子通信和量子計(jì)算提供了更多的自由度和可能性。通過調(diào)控軌道角動量模式，還可以實(shí)現(xiàn)對微粒的不同操控方式。具有不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量光束對微粒施加的扭矩不同，可用于實(shí)現(xiàn)微粒的旋轉(zhuǎn)、平移等多種操控，在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。4.3.2調(diào)控軌道角動量光束的傳播特性超表面（Metasurface）對軌道角動量光束傳播特性的調(diào)控是拓展其應(yīng)用范圍的重要研究方向，這一調(diào)控過程涉及到對光束傳播方向、發(fā)散角等關(guān)鍵特性的精確控制，其原理基于超表面對光場相位和振幅的靈活調(diào)制。在傳播方向調(diào)控方面，超表面主要通過設(shè)計(jì)特定的相位分布來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)廣義斯涅爾定律，當(dāng)光入射到具有相位梯度的超表面時(shí)，其反射或折射方向會發(fā)生改變。對于軌道角動量光束，通過在超表面上設(shè)計(jì)與方位角相關(guān)的相位梯度，可使光束在傳播過程中發(fā)生軌道角動量依賴的偏折。例如，設(shè)計(jì)一種超表面，其相位分布滿足\varphi(\theta)=l\theta+\varphi_0，其中l(wèi)為軌道角動量的拓?fù)浜蓴?shù)，\theta為方位角，\varphi_0為初始相位。當(dāng)攜帶軌道角動量的光束入射到該超表面時(shí)，由于不同方位角處的相位不同，光束會受到一個與拓?fù)浜蓴?shù)相關(guān)的橫向力，從而使傳播方向發(fā)生改變。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中，科研人員利用這種原理設(shè)計(jì)了超表面，成功將攜帶軌道角動量的光束偏折到不同的方向。實(shí)驗(yàn)中，通過改變超表面的相位分布函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對不同拓?fù)浜蓴?shù)軌道角動量光束傳播方向的獨(dú)立控制，這種調(diào)控方法在光通信中的光束分束和復(fù)用、光學(xué)成像中的光束轉(zhuǎn)向等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。超表面對軌道角動量光束發(fā)散角的調(diào)控則主要通過對光場的振幅和相位分布進(jìn)行優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。對于傳統(tǒng)的軌道角動量光束，其發(fā)散角與光束的拓?fù)浜蓴?shù)和波長有關(guān)，拓?fù)浜蓴?shù)越大，發(fā)散角越大。超表面可以通過設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)，對光束的振幅和相位進(jìn)行整形，從而減小光束的發(fā)散角。以基于電介質(zhì)超表面的調(diào)控為例，通過精確設(shè)計(jì)電介質(zhì)納米柱的尺寸、形狀和排列方式，可以對軌道角動量光束的波前進(jìn)行矯正，使光束更加集中，減小發(fā)散角。從理論上來說，通過調(diào)整超表面結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)，改變光在其中的傳播相位和振幅，使得光束在傳播過程中不同部分的相位和振幅分布更加均勻，從而減小發(fā)散角。在實(shí)際應(yīng)用中，減小軌道角動量光束的發(fā)散角可以提高光束的傳輸效率和作用距離。在自由空間光通信中，較小的發(fā)散角可以使光束在長距離傳輸過程中保持較高的強(qiáng)度，減少信號衰減，提高通信質(zhì)量；在光學(xué)成像中，較小發(fā)散角的軌道角動量光束可以提高成像的分辨率和對比度，實(shí)現(xiàn)對微小物體或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的更清晰觀測。4.4軌道角動量調(diào)控的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用潛力為了驗(yàn)證基于超表面的軌道角動量調(diào)控策略的有效性，開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5所示。該裝置主要由激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、超表面樣品、相位測量系統(tǒng)以及光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)組成。選用波長為633nm的氦氖激光器作為光源，其輸出的激光具有良好的相干性和穩(wěn)定性。擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)將激光器輸出的光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直處理，使其成為直徑合適、波前平整的平行光束，以便均勻地照射超表面樣品。超表面樣品采用電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕等微納加工技術(shù)制備，確保超表面結(jié)構(gòu)的精度和質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)過程中，將制備好的超表面樣品放置在實(shí)驗(yàn)平臺的中心位置，調(diào)整其角度和位置，使入射光垂直照射在超表面上。通過超表面對入射光的調(diào)制，產(chǎn)生攜帶軌道角動量的光束。利用相位測量系統(tǒng)，如干涉儀，對出射光束的相位分布進(jìn)行測量。圖6展示了利用基于Pancharatnam-Berry（PB）相位的超表面產(chǎn)生的拓?fù)浜蓴?shù)l=+1的軌道角動量光束的相位分布測量結(jié)果。從圖中可以清晰地觀察到，光束的相位呈現(xiàn)出螺旋狀分布，與理論預(yù)期相符，驗(yàn)證了超表面能夠有效地產(chǎn)生攜帶軌道角動量的光束。通過光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)，如電荷耦合器件（CCD）相機(jī)，對出射光束的光強(qiáng)分布進(jìn)行采集和分析。圖7為拓?fù)浜蓴?shù)l=+2的軌道角動量光束的光強(qiáng)分布測量結(jié)果?？梢钥闯?，光束的光強(qiáng)分布呈環(huán)形，中心存在相位奇點(diǎn)，光強(qiáng)為零，這是軌道角動量光束的典型特征，進(jìn)一步驗(yàn)證了超表面對軌道角動量光束的產(chǎn)生和調(diào)控能力?；诔砻娴能壍澜莿恿空{(diào)控在光通信、光學(xué)微操控等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在光通信領(lǐng)域，利用軌道角動量復(fù)用技術(shù)可以顯著提高通信系統(tǒng)的信道容量。不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式相互正交，可作為獨(dú)立的信道用于光信號傳輸。通過超表面產(chǎn)生和調(diào)控?cái)y帶不同軌道角動量的光束，能夠在同一頻率下實(shí)現(xiàn)多個信號的并行傳輸，有效緩解日益增長的通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾。例如，在自由空間光通信中，采用基于超表面的軌道角動量復(fù)用技術(shù)，可將通信容量提高數(shù)倍甚至更高，為高速、大容量的光通信提供了新的解決方案。在光學(xué)微操控領(lǐng)域，軌道角動量光束對微粒具有獨(dú)特的操控能力。由于軌道角動量光束的螺旋相位結(jié)構(gòu)，其對微粒施加的扭矩可使微粒繞光束中心軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對微粒的旋轉(zhuǎn)操控；同時(shí)，軌道角動量光束的環(huán)形光強(qiáng)分布可對微粒產(chǎn)生軸向的捕獲力，實(shí)現(xiàn)對微粒的平移操控?；诔砻娴能壍澜莿恿空{(diào)控能夠精確地產(chǎn)生具有特定拓?fù)浜蓴?shù)和光強(qiáng)分布的軌道角動量光束，為光學(xué)微操控提供了更靈活、更高效的手段。在生物醫(yī)學(xué)研究中，可以利用超表面產(chǎn)生的軌道角動量光束對生物細(xì)胞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的無損操控，有助于細(xì)胞生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。五、Metasurface在全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控中的綜合應(yīng)用5.1在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用5.1.1提高信道容量在光通信領(lǐng)域，隨著信息傳輸需求的飛速增長，提高信道容量成為了關(guān)鍵挑戰(zhàn)。基于超表面（Metasurface）的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控技術(shù)的融合，為解決這一問題提供了創(chuàng)新的解決方案。軌道角動量復(fù)用技術(shù)是提高信道容量的核心手段之一。不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式相互正交，這一特性使得它們能夠在同一頻率下作為獨(dú)立的信道傳輸光信號。超表面在軌道角動量復(fù)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠精確地產(chǎn)生和調(diào)控?cái)y帶不同軌道角動量的光束。通過精心設(shè)計(jì)超表面的結(jié)構(gòu)，利用Pancharatnam-Berry（PB）相位調(diào)控等原理，超表面可以實(shí)現(xiàn)對光場相位的精確控制，從而生成具有特定拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量光束。例如，通過設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的取向分布，使超表面在不同位置引入與方位角相關(guān)的幾何相位變化，當(dāng)圓偏振光入射時(shí)，就能產(chǎn)生攜帶不同軌道角動量的光束。在實(shí)驗(yàn)研究中，科研人員利用基于PB相位的超表面，成功實(shí)現(xiàn)了多種拓?fù)浜蓴?shù)軌道角動量光束的產(chǎn)生，如拓?fù)浜蓴?shù)為l=+1、l=-1、l=+2等的軌道角動量光束，為軌道角動量復(fù)用提供了基礎(chǔ)。將軌道角動量復(fù)用與全息圖設(shè)計(jì)相結(jié)合，能夠進(jìn)一步提高光通信系統(tǒng)的信道容量。全息圖可以看作是一種對光場信息進(jìn)行編碼的方式，通過超表面設(shè)計(jì)的全息圖能夠記錄和再現(xiàn)復(fù)雜的光場分布。在光通信中，將不同的信息編碼到不同軌道角動量模式的光束中，再利用超表面全息圖對這些光束進(jìn)行復(fù)用和傳輸，可以在同一束光中同時(shí)傳輸多個獨(dú)立的信息通道。例如，在一個基于超表面的光通信系統(tǒng)中，將多個不同的圖像信息分別編碼到不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量光束上，通過超表面全息圖的調(diào)制，將這些光束復(fù)用成一束光進(jìn)行傳輸。在接收端，利用相應(yīng)的超表面結(jié)構(gòu)對復(fù)用光束進(jìn)行解復(fù)用，再通過全息圖的再現(xiàn)過程，恢復(fù)出原始的圖像信息。這種多維度的信息編碼和傳輸方式，大大提高了光通信系統(tǒng)的信道容量，能夠滿足高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸需求。為了更直觀地說明基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控技術(shù)對信道容量的提升效果，以一個簡單的光通信系統(tǒng)模型為例進(jìn)行分析。假設(shè)傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)僅利用光的偏振態(tài)進(jìn)行復(fù)用，可提供2個獨(dú)立的信道。而引入軌道角動量復(fù)用后，若使用拓?fù)浜蓴?shù)為l=-2,-1,0,1,2的5種軌道角動量模式，結(jié)合偏振復(fù)用，理論上可提供2\times5=10個獨(dú)立信道。再進(jìn)一步結(jié)合超表面全息圖設(shè)計(jì)，通過對不同軌道角動量模式光束的光場分布進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的信息編碼，可進(jìn)一步提高信道容量。在實(shí)際應(yīng)用中，雖然由于各種因素的影響，如光束的串?dāng)_、傳輸損耗等，無法達(dá)到理論上的信道容量極限，但與傳統(tǒng)光通信技術(shù)相比，基于超表面的全息圖設(shè)計(jì)與軌道角動量調(diào)控技術(shù)仍能顯著提高信道容量，為滿足未來光通信的發(fā)展需求提供了有力的技術(shù)支持。5.1.2信息加密與傳輸安全在光通信中，信息的安全傳輸至關(guān)重要，超表面（Metasurface）為實(shí)現(xiàn)高效的信息加密提供了創(chuàng)新的途徑，其原理基于對光場多維度的精確調(diào)控。超表面可以利用光的偏振、軌道角動量等維度來實(shí)現(xiàn)信息加密。從偏振角度來看，超表面能夠精確調(diào)控光的偏振態(tài)，通過設(shè)計(jì)具有特定偏振響應(yīng)的超表面結(jié)構(gòu)，將信息編碼到光的偏振態(tài)變化中。例如，利用基于幾何相位的超表面，當(dāng)不同偏振態(tài)的光入射時(shí)，超表面會對光的偏振態(tài)進(jìn)行特定的旋轉(zhuǎn)和調(diào)制，這種調(diào)制后的偏振態(tài)變化可以作為加密信息的載體。在傳輸過程中，只有知道正確的偏振態(tài)解碼規(guī)則，才能準(zhǔn)確恢復(fù)出原始信息。從軌道角動量維度來說，不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式相互正交，可作為獨(dú)立的信息載體。超表面可以產(chǎn)生和調(diào)控?cái)y帶不同軌道角動量的光束，將不同的信息編碼到不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動量模式中。例如，將重要數(shù)據(jù)分成多個部分，分別編碼到拓?fù)浜蓴?shù)為l=+1、l=-1、l=+2等不同的軌道角動量光束上。在接收端，只有擁有正確的軌道角動量模式解復(fù)用和信息解碼方法，才能完整地獲取原始數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)加密方法相比，基于超表面的加密技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)加密方法大多基于數(shù)學(xué)算法，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是量子計(jì)算的興起，其安全性面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而基于超表面的加密技術(shù)利用光的物理特性進(jìn)行加密，具有天然的物理安全性。由于超表面對光場的調(diào)控是基于微觀結(jié)構(gòu)與光的相互作用，這種物理過程難以被量子計(jì)算破解。超表面加密技術(shù)還具有高維度、大容量的特點(diǎn)。通過結(jié)合光的偏振、軌道角動量以及其他光學(xué)維度（如波長、相位等），可以實(shí)現(xiàn)多維度的信息加密，大大增加了加密的復(fù)雜度和安全性。在一個基于超表面的多維光信息加密系統(tǒng)中，利用超表面對光的偏振、軌道角動量和波長進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，將不同的信息分別編碼到這些維度上，使得加密信息的容量大幅增加，同時(shí)提高了破解的難度。以香港和英國科學(xué)家的研究為例，他們將超表面與非線性晶體結(jié)合，成功造出量子全息圖。通過精心設(shè)計(jì)超表面的納米結(jié)構(gòu)，讓光子的偏振和全息信息直接糾纏在一起。這意味著一個光子的偏振直接決定了全息圖里顯示的內(nèi)容。在光通信中，這種量子全息圖可用于信息加密。當(dāng)信息以這種方式加密