超薄超表面实现高效矢量全息技术

全息术——记录和重建光场的科学——长期以来一直是成像、数据存储和加密领域的核心技术。然而，传统全息系统依赖笨重的光学装置和干涉实验，难以应用于紧凑型或集成化设备。基于Gerchberg-Saxton（GS）算法等计算方法通过消除物理干涉图案的需求简化了全息图设计，但这些方法通常只能产生具有均匀偏振的标量全息图，限制了可编码的信息量。

为突破这些限制，香港科技大学、复旦大学和香港大学的研究人员开发出一种通用策略，利用超薄超表面实现矢量全息——即能同时编码光强和偏振态的全息技术。据《先进光子学》报道，这种方法可在任意入射偏振下工作，并能生成具有空间变化偏振态的复杂图像，显著扩展了全息的信息容量。

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矢量超全息图示意图及其设计过程

研究团队通过将GS算法与波分解技术相结合，计算出构成超表面的基本单元——超原子所需的散射特性。这些基于金属-绝缘体-金属结构的超原子经过精心设计，可同时控制相位和偏振转换。通过调整几何参数和旋转角度，研究人员利用结构共振和Pancharatnam-Berry相位实现了对反射相位和偏振态的精确控制。这种方法设计的超表面厚度仅为工作波长的四分之一，样品尺寸小于200×200微米，非常适合芯片集成。

为验证概念，团队采用电子束光刻技术制备超表面，并在1064纳米近红外光下进行测试。他们创建了两组矢量全息图：一组具有旋转对称性作为基准，另一组则包含时钟、花朵和飞鸟等复杂非对称图案。每幅图像在不同区域呈现 distinct 的偏振态，当通过旋转偏振片观察时，图案会动态变化，随着不同部分的显现或消失实现"讲故事"的效果。这一特性表明其在光学加密和防伪领域的应用潜力。值得注意的是，该超表面实现了高效率，其中一个器件效率接近68%，性能优于以往的矢量全息系统。

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第一个系列矢量超全息图的实验设置和表征。

这项研究为高效、偏振无关的矢量全息技术提供了一个多功能平台。其超薄特性及与芯片光学的兼容性，使其在安全数据存储、新一代防伪技术和集成光学系统等领域具有应用前景。该方法还可适配其他波长范围和透射模式，未来若采用介电材料等改进方案，有望进一步提升性能。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.5.056004