7003全讯入口在三维全息加密和动态显示研究方面取得重要进展
来源： 供稿： 摄影： 审核：陈珂、郑宁 作者： 发布时间：2024-12-30 浏览量：
导读
近日，7003全讯入口7003全讯入口张向东教授课题组基于3D轨道角动量全息超表面，实现了3D全息加密和动态显示。相关成果以“3D Orbital Angular Momentum Multiplexing Holography with Metasurfaces: Encryption and Dynamic Display of 3D Multi-Targets”为题发表在Laser & Photonics Reviews 期刊[Laser Photonics Rev. 2024, 2401608]上。7003全讯入口7003全讯入口孔令军研究员、张福荣博士生为该论文的共同第一作者，7003全讯入口7003全讯入口张向东教授为论文通讯作者，7003全讯入口7003全讯入口程仕远研究生也为该工作做出了重要贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金委的大力支持。
研究背景
全息的概念是Gabor于1948年提出，目的在于提高电子显微镜图像的质量。全息技术提供了一种重建光的强度和相位信息的方法，已在x射线、电子束、中子束、表面等离子体和光学中得到应用。激光的发展为光学领域的全息技术带来了巨大的活力。全息技术已成为现代光学的一个重要工具，并催生了许多应用，其中之一就是光学全息加密。最初，全息加密是通过全息图的设计来实现的。紧接着，基于偏振自由度实现了多通道矢量全息加密。后来，光学轨道角动量（OAM）被引入全息技术，并已被用于实现高安全性的全息加密。基于多自由度复用技术，拉盖尔高斯模式全息加密和光学全息嵌套加密也已实现。然而，在这些全息加密中，加密的目标是二维（2D）对象，或者是三维（3D）对象的二维图像。3D多目标的3D图像全息技术尚未实现，3D多目标的全息加密仍然是一个空白。
另一方面，全息技术在3D显示方面也取得了重大进展。目前，已经实现的3D全息显示主要分为三类：一类是3D物体的2D投影图像的全息显示；第二类是多个独立的二维物体在不同成像平面上的全息显示（这些物体是相互独立的，所以它们不能用来形成一个3D物体）；第三类是单个3D物体的3D显示。然而，如何实现多个3D物体的3D全息动态显示还有待探索。
研究亮点之一：3D OAM复用全息
3D OAM 全息的实现原理如图1所示。为了再现图1(a)所示的3D物体的3D全息图像，首先需要将3D物体进行分层，将每一层转换为离散点，并获得其对应的能够保持OAM特性的全息图（OAM-PH，如图1(c)）。然后，使用一个菲涅尔相位板（FZP），以使每一层的图像成像到对应的焦平面上。通过叠加OAM-PHs和FZPs，就可以得到一个能够实现3D物体在3D空间中投影成像的OAM全息图（3D OAM-PH）。为了使得在3D空间中投影的图像受到入射光束所携带的OAM态的调控，需要进一步将OAM态的相位分布编码到3D OAM-PH中，以生成3D OAM-SH。图1(c)中展示了一个编码OAM态（l = -2）的例子。当使用l = 2的OAM光束入射在携带3D OAM-SH的超表面（MS）上时，即可重构出一个由高斯斑点构成的3D物体的3D图像（如图1(d)）。
3D OAM 复用全息的实现过程如图1(e-g)所示。首先，将三个不同的3D物体分别编码一个OAM态（l = -1，-2，-3），生成三个3D OAM-SH；然后将三个3D OAM-SH叠加到一起形成一个3D OAM 复用全息图。当分别使用l = 1，2，3的OAM光束入射时，将会有不同的3D全息图像被观测到。进而实现受OAM调控的3D OAM复用全息。
图1. 3D OAM全息和3D OAM复用全息原理图。
为了验证3D OAM复用全息方案的可行性，研究团队进行了实验验证。图2(a)展示了四个选定的3D目标。四个OAM态（l = -1、-2、-3和-4）分别被添加到四个3D目标的3D OAM-PHs中。利用超表面作为全息图的载体。超表面的工作区域包含3000×3000个正方形像素，每个像素的边长为300 nm（如图2(b)所示）。实验结果如图2(c)所示。当入射光场的OAM态为l = 1时，即可重构出三角柱体的3D全息图。类似地，当入射光场的OAM态为l = 2、3和4时，可以分别得到正四面体、金字塔和眼镜的3D全息图。这些实验结果展示了3D OAM复用全息图的可行性，表明OAM态可以被用作3D图像的信息载体。
图2. 3D OAM复用全息实验结果。
研究亮点之二：多个3D物体的全息加密
如前文所述，3D OAM复用全息图可以再现多个3D物体的3D全息图像。使用携带有相应的OAM光束作为入射光，就可以重构出3D物体的3D图像。换句话说，如果将多路复用全息图的制备过程看作3D OAM全息的加密过程，那么，3D图像的重建过程就可以被看作解密过程。用于编码的OAM态就是“密钥”。只有事先知道正确的“密钥”，才能重建出想要的3D图像。这样就实现了多个3D物体的全息加密。
为了说明多个3D物体的全息加密过程，图3展示了一个示例。图3(a-d)为待加密的3D物体。对应的加密OAM态分别为l = −1，−3，−5和−7。通过叠加这四个3D目标的3D OAM- PH，得到3D OAM复用全息图，如图3(e)所示。该全息图对应于3D物体在加密过程中的“OAM密文”。在解密过程中，为了重建加密后的3D物体的3D全息图像，需要用正确的OAM态（“密钥”）来入射“OAM密文”。例如，想要解密如图3(a)所示的3D物体，必须将OAM态为l = 1的光束作为“密钥”入射“OAM密文”（实验结果如图3(f)所示）。然而，当使用OAM态为l = 2的光束入射“OAM密文”时，没有3D物体可以解密（如图3(g)所示）。这是因为没有3D物体被OAM态 l = −2加密。同样，只有分别使用l = 3、5、7的OAM态入射“OAM密文”，才能将图3(b-d)所示的3D物体的3D全息图像解密出来，实验结果如图3(h)、(j)、(l)所示。当入射光场的OAM态为 l = 2、4、6时，没有3D物体可以被解密出来（如图3(i)、(k)、(m)所示）。
图3. 基于3D OAM复用全息图的3D多目标加密的设计和实验结果。
研究亮点之三：3D物体的动态显示
在传统的3D全息中，一张全息图只能包含一张3D图像的信息。重建3D图像时，图像是静止的。而在3D OAM复用全息图中，复用全息图可以包含许多3D图像的信息，通过简单地切换入射光束的OAM态即可依次重建出这些图像。这使得3D物体的动态显示成为可能。
图4(a)所示了一条绕旋转轴旋转的螺旋线。首先将该动态3D物体转换为一系列静态帧（如图4(b)所示），并计算这些静态帧的3D OAM-PHs。然后，使用OAM态（l = −2、−4、−6、…）作为每个静态帧的信息载体。通过叠加这些3D OAM-PHs和OAM态制备出3D OAM全息的复用全息图。当使用l = 2、4、6、…的OAM态入射复用全息图时，可以分别重建动态螺旋线每帧的3D图像（如图4(c)所示）。最后，通过依次连续切换OAM态，就可以实现3D螺旋线的动态显示。
图4. 基于3D OAM复用全息的3D动态显示的设计及其实验结果。
总结与展望
该研究团队提出了3D OAM复用全息的概念，将多个物体的多个3D图像包含在一个全息图中，并且可以使用不同的OAM态来重建不同3D物体的3D图像。将这种多路复用全息技术与加密技术相结合，首次实现了多个3D物体的全息加密。该研究突破了传统全息只能对2D图像进行加密的局限性。OAM的高维特性和叠加态的使用，保证了多个3D物体加密的安全性。在实验中，该研究团队利用PB相位超表面在光场调控方面的高分辨率优势，验证了3D OAM复用全息技术和多个3D物体全息加密的可行性。此外，不同于传统的3D全息技术（一个全息图只能包含一个3D图像的信息，重建的3D图像是静止的），该研究团队提出的3D OAM复用全息技术使一个全息图包含多个3D图像的信息，可以用于3D物体的动态显示，并通过实验验证了3D物体动态显示的可行性。该工作在3D成像、信息安全等领域都有潜在的应用前景。