清華大學(xué)提出超分辨軌道角動量全息技術(shù)

全息技術(shù)能夠完整記錄和再現(xiàn)光場的波前信息，在三維顯示、數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)加密等領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。例如，全息三維顯示技術(shù)無需佩戴設(shè)備、不易引起視覺疲勞，被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）近眼顯示、智能車載抬頭顯示（HUD）等應(yīng)用的終極解決方案。但是，傳統(tǒng)全息圖只能記錄一幅圖像，難以實(shí)現(xiàn)動態(tài)立體顯示。

與之相比，新興的軌道角動量（OAM）全息技術(shù)利用OAM自由度，開辟了寬廣的信息存儲空間。類似于電影的膠片，數(shù)百幀圖像可記錄在同一張OAM復(fù)用全息圖中，其中每幀圖像只對應(yīng)特定的OAM階數(shù)，相當(dāng)于被賦予了一個專屬密碼；通過不同階OAM光束依次照射全息圖，實(shí)現(xiàn)三維影像的動態(tài)刷新，理論上可大幅提升全息技術(shù)的信息容量和安全性。

然而，OAM全息圖的大容量與高分辨率是一對矛盾。由于全息圖的各OAM通道之間存在強(qiáng)烈串?dāng)_，為了確保每個像素位置的OAM性質(zhì)不被破壞，必須對原始圖像進(jìn)行稀疏采樣（圖1a）——嚴(yán)格要求采樣間隔（L）不小于最高階OAM模式的直徑（dmax），即γ=dmax/L≤1。γ=1即對應(yīng)目前OAM全息技術(shù)的分辨率上限，如圖1b的藍(lán)色曲線所示，隨著復(fù)用通道數(shù)量增多（dmax增大），圖像分辨率損失嚴(yán)重（L同比例增大）。該瓶頸問題極大限制了OAM全息技術(shù)的容量和分辨率的提升空間。

圖1.OAM全息技術(shù)中分辨率與復(fù)用通道數(shù)量的矛盾

圖2.OAM全息技術(shù)復(fù)用串?dāng)_來源及抑制方法示意圖

針對以上難題，清華大學(xué)精儀系先進(jìn)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)建立了OAM全息復(fù)用串?dāng)_的綜合分析模型，提出了幾乎無串?dāng)_的偽非相干方法，并通過時分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了近似的相干方法。新技術(shù)放寬了對OAM全息采樣條件的限制（γ可增大數(shù)倍，如圖1b的紅色、紫色曲線所示），突破了現(xiàn)有OAM全息技術(shù)的分辨率上限，顯著提升了重建圖像的分辨率（相同復(fù)用通道數(shù)量下）和復(fù)用容量（相同分辨率下）。工作原理如圖2所闡釋：現(xiàn)有OAM全息技術(shù)對應(yīng)于圖2a的普通相干方法，當(dāng)γ>1時，重建圖像中的OAM特性被完全破壞，引起強(qiáng)烈的復(fù)用串?dāng)_；圖2b的非相干方法雖然能夠抑制復(fù)用串?dāng)_，但由于時域/空域色散，重建圖像會變模糊；圖2c和圖2d分別為本工作提出的偽非相干方法、時分復(fù)用相干方法，使重建圖像始終保持OAM特性，即使在超分辨情況下仍能獲得高質(zhì)量重建。

基于50張二值OAM全息圖的時分復(fù)用，本工作展示了2倍超分辨條件下（γ=2）5幅灰度圖像的OAM復(fù)用（圖3）、4.7倍超分辨條件下（γ=4.7）201幀視頻的OAM復(fù)用（圖4）、9.2倍超分辨條件下（γ=9.2）81幅二值圖像的OAM復(fù)用（圖5），均表現(xiàn)出優(yōu)于復(fù)振幅OAM全息、相位型OAM全息方法的重建質(zhì)量。

圖3.五個中國地標(biāo)性建筑256階灰度圖像的OAM復(fù)用（2倍超分辨），其中SSIM為結(jié)構(gòu)相似性系數(shù)

圖4.OAM復(fù)用256階灰度圖像全息視頻（4.7倍超分辨）：（a，b）201個不同OAM光束依次照射全息圖，獲得201幀高質(zhì)量全息視頻；（c）強(qiáng)度起伏系數(shù)（CV）、結(jié)構(gòu)相似性系數(shù)（SSIM）等評價因子隨OAM復(fù)用通道數(shù)量的變化

圖5.二值圖像的OAM復(fù)用(最高9.2倍超分辨,81通道) 該技術(shù)通過數(shù)字微鏡陣列（DMD）進(jìn)行演示，但也適用于可編程超表面、鐵電液晶空間光調(diào)制器、數(shù)字光處理投影儀等各類可重構(gòu)平臺。該工作為實(shí)現(xiàn)兼具高分辨率、大容量的全息系統(tǒng)提供了實(shí)用化解決方案，對智能顯示、全息加密、全息存儲等應(yīng)用的性能提升具有重要意義。進(jìn)一步結(jié)合硬件在環(huán)的迭代方法，糾正實(shí)驗(yàn)中不均勻照明、光學(xué)系統(tǒng)像差和調(diào)制器件誤差引起的圖像質(zhì)量下降，有望實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更大容量的OAM全息復(fù)用。 該研究工作的完成單位為清華大學(xué)精儀系、時空信息精密感知技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。論文第一作者為精儀系2019級博士生石子健，通訊作者為精儀系柳強(qiáng)教授、付星副教授，其他作者還包括精儀系博士生萬震松、戰(zhàn)子鈺、劉凱歌。研究工作得到國家自然科學(xué)基金資助。 研究成果近日以“超分辨軌道角動量全息技術(shù)”（Super-resolution orbital angular momentum holography）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

審核編輯 ：李倩