近日，我院宋强研究员、段辉高教授团队针对衍射计算中像面尺寸受限的问题，提出了相空间框架，并设计了一种可变尺度的衍射计算模型，成功应用于计算全息术及微纳器件设计领域。
衍射(diffraction)是光受到障碍物调制后偏离几何光学规律传播的现象，是波传播的一般行为。在成像、显示技术以及各类光学器件的设计中，准确、快速地计算光的衍射场分布至关重要。然而，主流的快速计算方法，例如角谱法(ASM)和单菲涅尔变换(SFT)，在应用中存在局限性，不仅在像面尺寸上受限，还可能在多波长设计中引入色差。
针对上述问题，我院宋强研究员、段辉高教授团队联合中山大学滕东东副教授、西湖大学袁鑫教授，通过相空间分析建立了相空间衍射计算框架，该框架允许“自定义衍射计算方法”。基于该框架，开发了空间频率可调法(SFTM)。该方法无需预处理，具有可变尺度、自动色差校正的特性，能在非超宽带、满足抽样定理的情况下，计算任意衍射距离和放大倍率的衍射像面。相关成果发表于期刊Photonics Research (2024, 12(9): 1937-1953)，宋强研究员、段辉高教授和滕东东副教授为共同通讯作者，硕士研究生李致为第一作者。
该方法成功应用于高保真彩色全息术、大尺度3D菲涅尔层析术，以及在前期研究(Nano Letters, 2019, 20(2): 994-1002)基础上实现了近零串扰、近场放大的彩色超表面全息术，为高质量全息成像和微纳光学器件设计提供了新的解决方案。
图1 SFTM的设计及应用：(a)SFTM的相空间演化轨迹；(b)SFTM的m-z调谐空间；(c)3.5倍放大的彩色全息术；(d)大尺度3D菲涅尔层析术；(e)近场放大的近零串扰彩色超表面全息术。
为了进一步提升单张全息图的信息容量，团队基于SFTM，结合焦深减弱处理与自适应约束，设计出了消色差全息图。这种全息图能够在单个相位分布中同时容纳R、G、B三个颜色分量的信息，实现全彩设计。依托这一设计方法，团队成功完成了大尺度颜色分离3D全息术和单全息图全彩全息术的验证，并利用研究院的光刻设备制造出了无孪生像影响的二台阶单片全彩衍射光学元件(Binary DOE)。
图2 单全息图彩色全息术：(a)DOE全彩衍射效果示意图；(b)3D全息术中的颜色通道分离；(c)全彩全息术的实现；(d)使用Binary DOE实现全彩显示。
此外，这种消色差全息图的设计方法还可应用于高帧率全彩全息视频的设计，使时间分辨率提升至传统RGB切换方法的三倍，充分释放空间光调制器（SLM）的调控潜力，为全彩全息显示和视频技术的发展提供了全新思路。
视频1 60Hz全彩全息视频仿真实例。
来源 | 超表面光学成像系统及应用研发中心
编辑 | 李致 王心怡
责编 | 刘楚玲
