一塊超薄材料同時(shí)變出62張全息圖，全息技術(shù)天花板被徹底撕碎！

一塊超薄材料同時(shí)變出62張全息圖：東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)用"時(shí)空編碼"打破全息技術(shù)的容量天花板
幾十年來(lái)，工程師們一直在追求一個(gè)夢(mèng)想——用光構(gòu)建出逼真的三維世界。全息圖技術(shù)通過(guò)精確控制光波的形狀和傳播方向，能夠產(chǎn)生3D或2D圖像。如今，全息技術(shù)已廣泛用于物體成像、物理測(cè)量、證件防偽，甚至走進(jìn)課堂成為可視化教學(xué)工具。
然而，一個(gè)頑固的瓶頸始終橫亙?cè)谇埃?現(xiàn)有技術(shù)每次只能生成一張全息圖。? 若想同時(shí)顯示多張獨(dú)立圖像，就必須增加"全息通道"，但通道越多，圖像質(zhì)量越差，刷新速度也越慢。這意味著，全息技術(shù)長(zhǎng)期被鎖在"單通道"的牢籠里，無(wú)法滿足智能顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)和下一代通信對(duì)高容量的迫切需求。
直到中國(guó)東南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，用一塊超薄材料，徹底撕開(kāi)了這道枷鎖。
靈感：從一個(gè)算法發(fā)現(xiàn)一個(gè)新世界
"我們的研究靈感來(lái)源于智能顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）以及下一代通信等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呷萘咳⑾到y(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求，"論文共同第一作者馬向Tech Xplore表示。
傳統(tǒng)全息成像依賴偏振、波長(zhǎng)或軌道角動(dòng)量等多維復(fù)用技術(shù)，但在容量和可重編程性方面存在根本性限制?？删幊坛砻骐m然為波前的動(dòng)態(tài)控制開(kāi)辟了新可能，但迄今為止大多數(shù)基于超表面的系統(tǒng)每次也只能生成一張高質(zhì)量全息圖像。

馬和他的同事們意識(shí)到，問(wèn)題的突破口藏在一個(gè)意想不到的地方——時(shí)空編碼。
"我們研究的靈感實(shí)際上來(lái)自我們?cè)跁r(shí)空編碼優(yōu)化算法方面的工作，"馬解釋道，"我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一種稱(chēng)為格赫伯格-薩克斯頓（GS）算法的技術(shù)應(yīng)用于時(shí)空編碼時(shí)，其收斂速度極為高效。這讓我們意識(shí)到，時(shí)空域本身具有大量并行維度——每個(gè)諧波階數(shù)都能承載獨(dú)立的信息。隨后我們想到，這種巨大的并行性可以被用于全息成像，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)全息通道的同時(shí)生成。"
這個(gè)發(fā)現(xiàn)，讓團(tuán)隊(duì)看到了一片全新的天地。
原理：讓光"彈奏和弦"
這項(xiàng)技術(shù)的核心思想，可以用一個(gè)優(yōu)雅的比喻來(lái)理解：?讓超表面在時(shí)間上"演奏和弦"。?
具體來(lái)說(shuō)，馬和同事們意識(shí)到，時(shí)空編碼機(jī)制——一種將單頻入射波分解為多個(gè)諧波光束的方法——可以在全息成像中合并并同時(shí)處理多條信息流。于是，他們開(kāi)發(fā)了理論框架和一種全新算法，旨在實(shí)現(xiàn)單個(gè)可編程超表面實(shí)時(shí)生成數(shù)千個(gè)獨(dú)立全息通道。
"核心思想是讓可編程超表面不僅在空間上，而且在時(shí)間上進(jìn)行調(diào)制，"馬表示，"表面上的每個(gè)超單元會(huì)根據(jù)精心設(shè)計(jì)的時(shí)間編碼序列，在兩個(gè)相位狀態(tài)之間切換——這就是1比特控制。當(dāng)單頻波照射到該表面時(shí)，這種時(shí)空調(diào)制會(huì)在反射光束中產(chǎn)生多個(gè)諧波頻率，類(lèi)似于快速振動(dòng)產(chǎn)生的音樂(lè)和弦。"
每個(gè)諧波頻率，都可以承載一張獨(dú)立的全息圖像。這意味著，一束光照射上去，出來(lái)的不是一張圖，而是一整組"和弦"——數(shù)十張圖同時(shí)亮起。
研究團(tuán)隊(duì)為此開(kāi)發(fā)了一種名為"時(shí)空格赫伯格-薩克斯頓"（ST-GS）的全新算法。該算法可以在每個(gè)諧波上獨(dú)立設(shè)計(jì)全息圖案，從而通過(guò)單一輸入頻率，同時(shí)將數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)圖像投射到目標(biāo)表面上。
"我們制造的超表面由6,144個(gè)獨(dú)立控制的單元組成，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1 MHz的幀刷新率和相當(dāng)于6 Gb/s的編碼帶寬，"馬表示，"我們?cè)O(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于即時(shí)并行性：與順序時(shí)間復(fù)用方案逐個(gè)顯示圖像不同，我們的時(shí)空全息圖可同時(shí)生成所有通道，無(wú)盲區(qū)，并且對(duì)頻率不變的通道失真具有抗擾能力。"
實(shí)測(cè)：62張全息圖，同時(shí)亮起
理論再漂亮，終究要看療效。
研究人員利用新開(kāi)發(fā)的超表面和ST-GS算法，成功同時(shí)生成了多達(dá)62種不同的全息圖像。這是此前從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的突破。
更關(guān)鍵的是速度。ST-GS算法相比粒子群優(yōu)化等傳統(tǒng)啟發(fā)式算法，可將全息圖生成速度提升數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行。
"ST-GS算法相比粒子群優(yōu)化等傳統(tǒng)啟發(fā)式算法，可將全息圖生成速度提升數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行，"馬解釋道，"最后，我們?cè)谝粋€(gè)包含6144個(gè)元素的超表面上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了62通道全息圖，并展示了動(dòng)態(tài)多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，證明了我們方法的穩(wěn)健性和實(shí)用性。"
初步結(jié)果表明，時(shí)空編碼方法具備將數(shù)千個(gè)全息通道組合起來(lái)生成數(shù)十幅圖像的潛力。
為什么這項(xiàng)技術(shù)如此重要？
這項(xiàng)技術(shù)的意義，遠(yuǎn)不止"一次顯示更多張圖"那么簡(jiǎn)單。
第一，它實(shí)現(xiàn)了真正的并行處理。? 傳統(tǒng)的時(shí)間復(fù)用方案是"排隊(duì)顯示"——第一張圖亮完再亮第二張。而時(shí)空全息圖是"同時(shí)亮起"——所有通道在同一時(shí)刻并行輸出，沒(méi)有任何時(shí)間盲區(qū)。這意味著在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中，所有目標(biāo)都能被實(shí)時(shí)捕捉，不會(huì)出現(xiàn)任何延遲或遺漏。
第二，它速度極快。? 超過(guò)1 MHz的幀刷新率和6 Gb/s的編碼帶寬，讓這項(xiàng)技術(shù)足以應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。
第三，它為未來(lái)應(yīng)用打開(kāi)了巨大的想象空間。? "能夠同時(shí)將不同光束引導(dǎo)至多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的能力，對(duì)于下一代雷達(dá)和無(wú)線通信系統(tǒng)而言可能具有重要價(jià)值，這些系統(tǒng)需要高速、自適應(yīng)的波束成形技術(shù)，"馬表示。
在成像、傳感和目標(biāo)跟蹤方面，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出驚人的潛力。研究團(tuán)隊(duì)展示了動(dòng)態(tài)多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，證明了方法的穩(wěn)健性和實(shí)用性。未來(lái)，這一系統(tǒng)還可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程環(huán)境、改善通信網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行頻譜分析以及提升顯示技術(shù)。
未來(lái)：從62到數(shù)千，從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)
東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有停下腳步。
他們目前正計(jì)劃將ST-GS算法直接集成到超表面的FPGA控制器中，從而消除FPGA芯片與外部計(jì)算機(jī)通信的必要性，讓設(shè)備完全自主運(yùn)行。
"未來(lái)，我們的目標(biāo)是將時(shí)空全息技術(shù)與其他復(fù)用維度（如偏振和軌道角動(dòng)量）相結(jié)合，進(jìn)一步提升信息容量，"馬補(bǔ)充道，"此外，我們正在探索將這一范式擴(kuò)展至非線性系統(tǒng)。我們還認(rèn)為，該框架與其他相位恢復(fù)算法兼容，并且可以適應(yīng)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)甚至分?jǐn)?shù)傅里葉變換等場(chǎng)景。"
結(jié)語(yǔ)
從一次只能生成一張圖，到同時(shí)亮起62張全息圖——東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)用時(shí)空編碼的智慧，讓光不再只是"一個(gè)音符"，而是奏響了一曲恢弘的"交響樂(lè)"。當(dāng)一塊超薄材料就能同時(shí)操控?cái)?shù)十束光、生成數(shù)十幅圖像時(shí)，智能顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)、下一代通信、實(shí)時(shí)雷達(dá)……這些曾經(jīng)遙不可及的應(yīng)用，或許比我們想象中更近了一步。