等離激元超表面：三維光學全息技術的突破性進展

      發表于《Nature Communications》的一項突破性研究，在納米光子學領域引發高度關注——科研人員利用等離激元超表面成功實現了高分辨率、寬視場的三維光學全息。該成果不僅突破了傳統全息技術的固有局限，更為其在光電子器件、數據存儲及三維顯示等領域的應用奠定了重要基礎。

    超表面：重構光學調控的核心載體

    超材料作為一類人工合成的功能材料，憑借對電磁特性的靈活調控能力，革新了人類對光傳播規律的認知。而超表面作為超材料家族的新興分支，以其獨特的平面結構設計，將光學調控推向新高度。與傳統三維超材料不同，超表面由單層平面金屬結構構成，無需復雜的層堆疊工藝，在大幅降低制造成本的同時，仍具備全光波前調控的卓越性能。

    其核心優勢在于能夠在亞波長尺度實現急劇的相位變化，這一特性已推動超表面在諸多領域展現出應用潛力，包括波片制備、渦旋光束生成、超短脈沖整形、消色差四分之一波片研發、自旋霍爾效應研究、全息術應用、偏振相關器件設計及自旋可控的表面等離激元極化激元激發等，在納米光子學領域具有不可替代的地位。

    三維全息：技術瓶頸的突破路徑

    全息術作為一種可記錄并重建物體完整光學信息的技術，已歷經數十年發展。與僅能捕捉有限視角信息的攝影或多視角技術不同，全息術本質上是一種可實現完整信息成像的方法。全息圖通過參考光束與散射光束的干涉，或在表面結構中編碼相位信息生成，后者即計算機生成全息術（CGH）。

    此前，基于CGH的技術雖在表面等離子體激元顯示器、光束整形、數據存儲、數字全息顯微術等領域有所應用，但始終未能在可見光范圍內實現三維CGH圖像重建，核心限制在于無法通過超表面實現三維圖像顯示。而本研究通過精心設計亞波長等離激元天線陣列的取向，成功突破這一瓶頸。

    其核心原理為：當入射圓偏振光的螺旋性反轉時，超表面界面的相位變化范圍可達到0至2π，且這一變化通過等離激元天線的取向精確調控——散射光相位與納米棒取向滿足Φ=±2α的簡單關系（符號由透射偏振方向決定）。同時，天線將入射光轉換為相反螺旋性散射光的振幅具有均勻性，這一特性使基于簡單等離子體納米棒的超表面可對任意三維物體進行全息記錄。

    該設計具備多重優勢：亞波長像素間距的采用，為零級同軸三維重建提供了高分辨率與寬視場的潛在可能；借助計算機生成全息算法，三維物體可近似為點光源集合，記錄與重建過程無需參考光束，且重建物體不受衍射受限光束的制約；超表面的無色散特性，確保全息圖可在寬波長范圍內穩定重建。

    實驗驗證：三維成像性能的系統表征

    為驗證技術可行性，研究團隊開展了系列實驗研究，充分證實了等離激元超表面三維全息的性能。

    在噴氣式飛機三維模型的全息重建中，超表面由800×800個像素構成，單個像素中納米棒長約150nm、寬約75nm，相鄰棒間距為500nm，成功再現了翼展330μm、頭尾長232μm、沿z向尺寸48.2μm的三維結構。通過沿z方向調整聚焦位置，可清晰觀測到噴氣式飛機外觀的演變過程，直接證實了三維成像的真實性。

    針對實全息圖與虛全息圖的特性研究顯示：當采用右旋圓偏振/左旋圓偏振（RCP/LCP）組合照明與探測時，實像出現在透射側；而當照明與探測偏振均反轉時，虛像出現在相反側，且實像與虛像關于超表面對稱，進一步驗證了三維成像的準確性（實驗波長為820nm）。

    在寬波長適應性測試中，研究團隊分別在670nm、810nm、950nm波長下實現了全息圖像重建。通過角譜方法計算、實驗測量及波長與z位置反比關系推導的結果高度吻合，證實了超表面的無色散特性。

    為演示三維圖像的不同透視視圖，研究團隊設計了五匝空心螺旋圖案（節距400μm，直徑150μm，螺旋軸沿z向）。通過沿z方向調整物平面，可觀測到螺旋結構的同軸演變，每一切片至少能清晰呈現一整匝螺旋節距。由于成像系統透視具有非線性，失焦螺旋段的放大率與其z位置呈非線性依賴關系，通過光線追跡計算獲得的位置相關放大率，可在CCD相機的二維平面上準確重建透視圖像，計算結果與觀測圖像高度吻合。

    視角測試進一步驗證了系統性能：在正入射照明條件下，當觀測角在-20°至20°范圍內調整時，全息圖像呈現出符合三維透視規律的變化，且系統視場范圍可達-40°至40°，充分體現了寬視場優勢。

    技術優勢與應用前景

    與現有全息技術相比，等離激元超表面三維全息的優勢尤為顯著：其一，亞波長像素尺寸（約150nm）遠小于成像波長（670-950nm），確保超高空間分辨率；其二，連續可控的相位分布避免了二元振幅全息的信息損失，消除了多衍射級次的不良影響；其三，無色散特性使其可在寬波段穩定工作；其四，無需參考光束的設計大幅簡化了光學系統。

    研究團隊表明，當前技術可通過納米棒取向實現完整相位控制，無需額外查找表或光路相位累積。未來通過在超表面中進一步編碼振幅信息（如調整納米棒長度改變諧振頻率），可實現對物體表面多散射特性（如鏡面反射、馮氏著色）的精確模擬，進一步拓展應用邊界。

    等離激元超表面三維全息技術的突破，不僅是納米光子學領域的重要進展，更標志著人類在光場調控與三維成像領域邁出關鍵一步。隨著制造工藝的持續完善，該技術有望從實驗室快速邁向實際應用，為相關領域帶來革命性變革。