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精仪系先进激光技术团队提出超分辨轨道角动量全息技术
2024/04/12
全息技术能够完整记录和再现光场的波前信息,在三维显示、数据存储、光学加密等领域发挥了至关重要的作用。例如,全息三维显示技术无需佩戴设备、不易引起视觉疲劳,被认为是虚拟现实(VR)/增强现实(AR)近眼显示、智能车载抬头显示(HUD)等应用的终极解决方案。但是,传统全息图只能记录一幅图像,难以实现动态立体显示。
与之相比,新兴的轨道角动量(OAM)全息技术利用OAM自由度,开辟了宽广的信息存储空间。类似于电影的胶片,数百帧图像可记录在同一张OAM复用全息图中,其中每帧图像只对应特定的OAM阶数,相当于被赋予了一个专属密码;通过不同阶OAM光束依次照射全息图,实现三维影像的动态刷新,理论上可大幅提升全息技术的信息容量和安全性。
然而,OAM全息图的大容量与高分辨率是一对矛盾。由于全息图的各OAM通道之间存在强烈串扰,为了确保每个像素位置的OAM性质不被破坏,必须对原始图像进行稀疏采样(图1a)——严格要求采样间隔(L)不小于最高阶OAM模式的直径(dmax),即γ=dmax/L≤1。γ=1即对应目前OAM全息技术的分辨率上限,如图1b的蓝色曲线所示,随着复用通道数量增多(dmax增大),图像分辨率损失严重(L同比例增大)。该瓶颈问题极大限制了OAM全息技术的容量和分辨率的提升空间。
图1.OAM全息技术中分辨率与复用通道数量的矛盾
图2.OAM全息技术的复用串扰来源及抑制方法示意图
针对以上难题,清华大学精仪系先进激光技术团队建立了OAM全息复用串扰的综合分析模型,提出了几乎无串扰的伪非相干方法,并通过时分复用技术实现了近似的相干方法。新技术放宽了对OAM全息采样条件的限制(γ可增大数倍,如图1b的红色、紫色曲线所示),突破了现有OAM全息技术的分辨率上限,显著提升了重建图像的分辨率(相同复用通道数量下)和复用容量(相同分辨率下)。工作原理如图2所阐释:现有OAM全息技术对应于图2a的普通相干方法,当γ>1时,重建图像中的OAM特性被完全破坏,引起强烈的复用串扰;图2b的非相干方法虽然能够抑制复用串扰,但由于时域/空域色散,重建图像会变模糊;图2c和图2d分别为本工作提出的伪非相干方法、时分复用相干方法,使重建图像始终保持OAM特性,即使在超分辨情况下仍能获得高质量重建。
基于50张二值OAM全息图的时分复用,本工作展示了2倍超分辨条件下(γ=2)5幅灰度图像的OAM复用(图3)、4.7倍超分辨条件下(γ=4.7)201帧视频的OAM复用(图4)、9.2倍超分辨条件下(γ=9.2)81幅二值图像的OAM复用(图5),均表现出优于复振幅OAM全息、相位型OAM全息方法的重建质量。
图3.五个中国地标性建筑256阶灰度图像的OAM复用(2倍超分辨),其中SSIM为结构相似性系数
图4.OAM复用256阶灰度图像全息视频(4.7倍超分辨):(a,b)201个不同OAM光束依次照射全息图,获得201帧高质量全息视频;(c)强度起伏系数(CV)、结构相似性系数(SSIM)等评价因子随OAM复用通道数量的变化
图5.二值图像的OAM复用(最高9.2倍超分辨,81通道)
该技术通过数字微镜阵列(DMD)进行演示,但也适用于可编程超表面、铁电液晶空间光调制器、数字光处理投影仪等各类可重构平台。该工作为实现兼具高分辨率、大容量的全息系统提供了实用化解决方案,对智能显示、全息加密、全息存储等应用的性能提升具有重要意义。进一步结合硬件在环的迭代方法,纠正实验中不均匀照明、光学系统像差和调制器件误差引起的图像质量下降,有望实现更高分辨率、更大容量的OAM全息复用。
研究成果近日以“超分辨轨道角动量全息技术”(Super-resolution orbital angular momentum holography)为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。
该研究工作的完成单位为清华大学精仪系、时空信息精密感知技术全国重点实验室、光子测控技术教育部重点实验室。论文第一作者为精仪系2019级博士生石子健,通讯作者为精仪系柳强教授、付星副教授,其他作者还包括精仪系博士生万震松、战子钰、刘凯歌。研究工作得到国家自然科学基金资助。
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