可编程超表面能够同时生成数十幅全息图

过去几十年来，工程师们研发了多种能够生成全息图的设备，这些全息图是通过精确控制传输光波的形状和方向所产生的三维或二维图像。如今，全息图被广泛用于呈现物体的视觉再现、测量其物理属性、验证文件或银行卡，以及在某些教育场景中作为可视化工具。尽管近年来可生成的全息图质量有了显著提升，但现有大多数技术一次只能生成一幅全息图。要同时生成多幅独立的全息图，就需要增加设备的所谓全息通道（即独立受控的若干全息图流），而这往往会降低生成图像的质量或刷新速度。

东南大学的研究人员最近开发出一种新型可编程超表面——一种能以独特方式操控波的工程化超薄材料，能够可靠地同时生成数十幅全息图。这种超表面由 6000个可独立控制的单元组成，既可以在空间排列上，也可以在随时间变化的特性上进行独立调控。相关论文发表在《自然·电子学》上。

论文共同第一作者Qian Ma告诉Tech Xplore：“智能显示、虚拟现实和下一代通信等应用对高容量全息系统的需求日益增长，正是这种需求启发了我们的工作。传统全息方法依赖于偏振、波长或轨道角动量等多路复用维度，但这些方案在容量和可重编程性方面仍然面临根本性的限制。”

随时间改变特性的可编程超表面

可编程超表面为动态控制波前（即光波的形状及其传播方向）开辟了新的可能。尽管潜力巨大，但迄今为止提出的多数基于超表面的系统一次只能生成一幅高质量全息图像。

Qian Ma解释道：“我们这项研究的灵感其实来自我们之前在时空编码优化算法方面的工作。我们发现，将一种名为 Gerchberg-Saxton（GS）算法的技术应用于时空编码时，其收敛效率极高。这让我们意识到，时空域本身就拥有数量巨大的并行维度——每个谐波阶次都可以携带独立的信息。于是我们想到，这种大规模并行性可以用来实现全息术，从而同时生成众多全息通道。”

Qian Ma和同事们认识到，时空编码机制——一种将单音入射波分裂成多个谐波波束的方法——可以被用来在全息术中组合并同时处理多路信息流。随后，他们着手建立理论框架并设计新算法，以实现单一可编程超表面上实时同时生成数以千计的独立全息通道。

Qian Ma说：“核心思想是不仅在空间上，也在时间上对可编程超表面进行调制。表面的每个超单元按照精心设计的时间编码序列，在两个相位状态（1 比特控制）之间切换。当单一频率的波照射该表面时，这种时空调制会在反射波束中产生多个谐波频率——就像快速振动产生的和弦一样。”

研究人员开发了一种新算法，命名为时空 Gerchberg-Saxton（ST-GS）算法。利用该算法，可以为每个谐波独立设计全息图样，从而从单一输入频率出发，在同一目标表面上同时投影出数十幅甚至可能数百幅图像。

Qian Ma说：“我们制备的超表面包含 6144 个独立可控单元，帧刷新率超过 1 MHz，等效编码带宽达到 6 Gb/s。我们设计的独特优势在于瞬时并行性：不同于一幅接一幅显示图像的顺序时分复用方案，我们的时空全息图在同一时刻生成所有通道，不存在盲区，并且对频率不变的通道失真具有很强的鲁棒性。”

成像、传感与目标跟踪的应用前景

利用新开发的超表面和 ST-GS 算法，研究人员能够一次生成多达 62 幅不同的全息图像。这一初步结果凸显了时空编码方法在组合数千个全息通道并生成数十幅图像方面的潜力，而这是此前从未实现过的。

Qian Ma解释说：“与粒子群优化等传统启发式算法相比，ST-GS 算法将全息图的生成速度提升了数个数量级，能够实现实时动态操作。最后，我们在包含 6144 个单元的超表面上实验验证了 62 通道全息图，并演示了一套动态多目标跟踪系统，证明了我们方法的稳健性和实用性。”

未来，Qian Ma及其同事所展示的系统可以进一步优化，并应用于多种实际场景。例如，可用于实时监控远程环境、改善通信网络、执行频谱分析以及提升显示技术。Qian Ma表示：“例如，同时将不同波束分别指向多个运动目标的能力，对于需要高速、自适应波束赋形的下一代雷达和无线通信系统可能具有重要价值。”

未来研究方向

东南大学团队目前正计划开展新的研究，以改进他们的算法和可编程超表面。例如，他们希望将 ST-GS 算法直接集成到超表面的 FPGA 控制器中，也就是用于独立控制其底层 6144 个单元的集成电路里。这将最终省去 FPGA 芯片与外部计算机通信的需要。

Qian Ma补充说：“在未来，我们旨在将时空全息术与其他多路复用维度（例如偏振和轨道角动量）相结合，以进一步提升信息容量。此外，我们还在探索将这一范式扩展到非线性系统，时空全息术的瞬时并行性或可作为一种独特的激发源。我们还相信，该框架与其他相位恢复算法兼容，并可适用于近场、远场乃至分数阶傅里叶变换等场景。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41928-026-01647-8