等离激元超表面：三维光学全息技术的突破性进展

      发表于《Nature Communications》的一项突破性研究，在纳米光子学领域引发高度关注——科研人员利用等离激元超表面成功实现了高分辨率、宽视场的三维光学全息。该成果不仅突破了传统全息技术的固有局限，更为其在光电子器件、数据存储及三维显示等领域的应用奠定了重要基础。

    超表面：重构光学调控的核心载体

    超材料作为一类人工合成的功能材料，凭借对电磁特性的灵活调控能力，革新了人类对光传播规律的认知。而超表面作为超材料家族的新兴分支，以其独特的平面结构设计，将光学调控推向新高度。与传统三维超材料不同，超表面由单层平面金属结构构成，无需复杂的层堆叠工艺，在大幅降低制造成本的同时，仍具备全光波前调控的卓越性能。

    其核心优势在于能够在亚波长尺度实现急剧的相位变化，这一特性已推动超表面在诸多领域展现出应用潜力，包括波片制备、涡旋光束生成、超短脉冲整形、消色差四分之一波片研发、自旋霍尔效应研究、全息术应用、偏振相关器件设计及自旋可控的表面等离激元极化激元激发等，在纳米光子学领域具有不可替代的地位。

    三维全息：技术瓶颈的突破路径

    全息术作为一种可记录并重建物体完整光学信息的技术，已历经数十年发展。与仅能捕捉有限视角信息的摄影或多视角技术不同，全息术本质上是一种可实现完整信息成像的方法。全息图通过参考光束与散射光束的干涉，或在表面结构中编码相位信息生成，后者即计算机生成全息术（CGH）。

    此前，基于CGH的技术虽在表面等离子体激元显示器、光束整形、数据存储、数字全息显微术等领域有所应用，但始终未能在可见光范围内实现三维CGH图像重建，核心限制在于无法通过超表面实现三维图像显示。而本研究通过精心设计亚波长等离激元天线阵列的取向，成功突破这一瓶颈。

    其核心原理为：当入射圆偏振光的螺旋性反转时，超表面界面的相位变化范围可达到0至2π，且这一变化通过等离激元天线的取向精确调控——散射光相位与纳米棒取向满足Φ=±2α的简单关系（符号由透射偏振方向决定）。同时，天线将入射光转换为相反螺旋性散射光的振幅具有均匀性，这一特性使基于简单等离子体纳米棒的超表面可对任意三维物体进行全息记录。

    该设计具备多重优势：亚波长像素间距的采用，为零级同轴三维重建提供了高分辨率与宽视场的潜在可能；借助计算机生成全息算法，三维物体可近似为点光源集合，记录与重建过程无需参考光束，且重建物体不受衍射受限光束的制约；超表面的无色散特性，确保全息图可在宽波长范围内稳定重建。

    实验验证：三维成像性能的系统表征

    为验证技术可行性，研究团队开展了系列实验研究，充分证实了等离激元超表面三维全息的性能。

    在喷气式飞机三维模型的全息重建中，超表面由800×800个像素构成，单个像素中纳米棒长约150nm、宽约75nm，相邻棒间距为500nm，成功再现了翼展330μm、头尾长232μm、沿z向尺寸48.2μm的三维结构。通过沿z方向调整聚焦位置，可清晰观测到喷气式飞机外观的演变过程，直接证实了三维成像的真实性。

    针对实全息图与虚全息图的特性研究显示：当采用右旋圆偏振/左旋圆偏振（RCP/LCP）组合照明与探测时，实像出现在透射侧；而当照明与探测偏振均反转时，虚像出现在相反侧，且实像与虚像关于超表面对称，进一步验证了三维成像的准确性（实验波长为820nm）。

    在宽波长适应性测试中，研究团队分别在670nm、810nm、950nm波长下实现了全息图像重建。通过角谱方法计算、实验测量及波长与z位置反比关系推导的结果高度吻合，证实了超表面的无色散特性。

    为演示三维图像的不同透视视图，研究团队设计了五匝空心螺旋图案（节距400μm，直径150μm，螺旋轴沿z向）。通过沿z方向调整物平面，可观测到螺旋结构的同轴演变，每一切片至少能清晰呈现一整匝螺旋节距。由于成像系统透视具有非线性，失焦螺旋段的放大率与其z位置呈非线性依赖关系，通过光线追迹计算获得的位置相关放大率，可在CCD相机的二维平面上准确重建透视图像，计算结果与观测图像高度吻合。

    视角测试进一步验证了系统性能：在正入射照明条件下，当观测角在-20°至20°范围内调整时，全息图像呈现出符合三维透视规律的变化，且系统视场范围可达-40°至40°，充分体现了宽视场优势。

    技术优势与应用前景

    与现有全息技术相比，等离激元超表面三维全息的优势尤为显著：其一，亚波长像素尺寸（约150nm）远小于成像波长（670-950nm），确保超高空间分辨率；其二，连续可控的相位分布避免了二元振幅全息的信息损失，消除了多衍射级次的不良影响；其三，无色散特性使其可在宽波段稳定工作；其四，无需参考光束的设计大幅简化了光学系统。

    研究团队表明，当前技术可通过纳米棒取向实现完整相位控制，无需额外查找表或光路相位累积。未来通过在超表面中进一步编码振幅信息（如调整纳米棒长度改变谐振频率），可实现对物体表面多散射特性（如镜面反射、冯氏着色）的精确模拟，进一步拓展应用边界。

    等离激元超表面三维全息技术的突破，不仅是纳米光子学领域的重要进展，更标志着人类在光场调控与三维成像领域迈出关键一步。随着制造工艺的持续完善，该技术有望从实验室快速迈向实际应用，为相关领域带来革命性变革。