近日，Advanced Science 報(bào)道了上海理工大學(xué)方心遠(yuǎn)研究員、李保莉博士團(tuán)隊(duì)取得的新科研成果，相關(guān)工作‘’Achromatic 3D Multi-Color Orbital Angular Momentum Holography‘’(Advanced Science 2025, 2503488. https://doi.org/10.1002/advs.202503488) 提出了一種利用空間復(fù)用方案實(shí)現(xiàn)消色差3D多色OAM全息的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法利用亞波長(zhǎng)像素尺寸的納米印刷全息圖，實(shí)現(xiàn)了雙平面、三色和三通道OAM復(fù)用全息顯示。這一突破為高容量、多光譜3D全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索鋪平了道路，對(duì)AR/VR顯示、光學(xué)全息加密和光學(xué)人工智能具有重要意義。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的透鏡元件，展示了一種雙平面、三色和三通道OAM復(fù)用全息顯示。

全息技術(shù)是利用全息圖記錄和重建物體的三維波前，已廣泛應(yīng)用于三維顯示、光學(xué)加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、和人工智能隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代信息量的急劇增加，光的各種物理維度，如波長(zhǎng)、極化、入射角、空間和時(shí)間等被作為全息中的信息載體，以提高單個(gè)全息圖的信息容量。由此產(chǎn)生的光復(fù)用全息概念在許多應(yīng)用中取得了巨大的成功，包括高安全性光學(xué)加密，光學(xué)可尋址動(dòng)態(tài)顯示，和并行神經(jīng)形態(tài)光學(xué)計(jì)算在這方面，信息渠道的改善是一個(gè)很大的需求。

軌道角動(dòng)量（OAM）以螺旋波前exp（jlφ）表示（其中l(wèi)和φ分別表示螺旋波前的螺旋模指數(shù)和方位角），由于其理論上無界的螺旋模指數(shù)在信息光學(xué)領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注，極大地促進(jìn)了高容量光通信、6D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)空光場(chǎng)、和高維量子糾纏等開創(chuàng)性概念的發(fā)展近年來，OAM復(fù)用的概念已擴(kuò)展到光學(xué)全息領(lǐng)域具體而言，通過在動(dòng)量空間中對(duì)數(shù)字全息圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)目臻g頻率采樣，將離散目標(biāo)物體的傅里葉變換與OAM螺旋波前進(jìn)行卷積，以創(chuàng)建依賴于OAM的全息圖。為了在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步增加信息信道數(shù)量，研究人員開始關(guān)注OAM與其他物理維度的協(xié)同復(fù)用。例如，具有不同自旋本征態(tài)和OAM態(tài)的光束可以在高安全性嵌套全息加密方案中單獨(dú)編碼此外，還提出了一種偽非相干方法，通過時(shí)間復(fù)用來提高OAM全息術(shù)中全息圖像的空間分辨率最近，波長(zhǎng)在人類視覺感知中起著至關(guān)重要的作用，也被用于探索獲得多色OAM全息。然而，由于傅里葉變換時(shí)透鏡功能的色散引起的軸向色差（ACA），無法在同一傅里葉平面內(nèi)獲得不同波長(zhǎng)的重建圖像，阻礙了三維彩色全息的發(fā)展。

為了解決上述問題，上海理工大學(xué)方心遠(yuǎn)、李保莉等人提出了一種利用空間復(fù)用方案實(shí)現(xiàn)消色差3D多色OAM全息的新方法。具體而言，通過將波長(zhǎng)特定的透鏡功能疊加到單色傅立葉OAM相關(guān)全息圖上，然后通過雙光子光刻進(jìn)行高分辨率空間離散和交錯(cuò)，開發(fā)了光學(xué)數(shù)字化的消色差OAM相關(guān)全息圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法利用亞波長(zhǎng)（600 nm）像素尺寸的納米印刷全息圖，實(shí)現(xiàn)了雙平面（沿光傳播方向）、三色（633、532和460 nm）和3通道OAM復(fù)用全息顯示（OAM階l = 1,4和7）。這一突破為高容量、多光譜3D全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索鋪平了道路，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）顯示、光學(xué)全息加密和光學(xué)人工智能具有重要意義。

在傅里葉全息術(shù)中，透鏡函數(shù)的軸向色差（ACA）會(huì)導(dǎo)致重建圖像沿光傳播方向產(chǎn)生波長(zhǎng)依賴性位移，表現(xiàn)為不同波長(zhǎng)圖像在傳播距離上的線性偏移（斜率λG/λ0）。該現(xiàn)象源于透鏡相位函數(shù)的波長(zhǎng)敏感特性：當(dāng)預(yù)設(shè)焦距為f0的透鏡在波長(zhǎng)λ0工作時(shí)，紅光λR的實(shí)際焦距變?yōu)閒R=λ0/λR*f0，且焦距偏差隨預(yù)設(shè)焦距增大而加劇。為克服此限制，研究采用波長(zhǎng)定制化透鏡組——針對(duì)λG、λR、λB等波長(zhǎng)分別優(yōu)化相位函數(shù)，將各波長(zhǎng)焦平面約束至特定位置（d1/d2），并通過微納加工技術(shù)對(duì)相位分布進(jìn)行空間離散化與交織疊加。該方法成功校正了軸向色差，實(shí)現(xiàn)了雙成像面（D=d1,d2）的消色差三維軌道角動(dòng)量復(fù)用全息顯示，最終在超緊湊光學(xué)數(shù)字化全息片上實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)可切換的高保真彩色重建。

通過將六幅彩色圖像分為三組單色圖像并分配到間距為Δd的兩個(gè)成像平面（Δd>1.7mm時(shí)平均結(jié)構(gòu)相似度SSIM穩(wěn)定在0.76），每組圖像編碼至三個(gè)正交OAM通道。經(jīng)空間離散化與交織疊加的軸向色差校正后，利用雙光子光刻技術(shù)制備了超緊湊消色差OAM復(fù)用全息圖（分辨率680×680，分3×3區(qū)塊加工）。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)以不同波長(zhǎng)OAM解碼光束照射時(shí)，六幅彩色圖像能在特定景深（D=d1,d2）高質(zhì)量重建；采用周期性模式選擇孔徑陣列可進(jìn)一步提升圖像信噪比。通過像素強(qiáng)度分布分析（圖2e）及波長(zhǎng)-OAM通道串?dāng)_矩陣驗(yàn)證（圖2f），該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了雙平面三基色OAM可切換全息顯示。

這項(xiàng)工作通過空間復(fù)用方案解決傳統(tǒng)傅里葉OAM全息系統(tǒng)的軸向色差難題，在空間頻率域?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)空間重合控制。采用雙光子光刻制備亞波長(zhǎng)像素（600 nm）的數(shù)字化全息圖，成功演示雙平面、三色、三通道的消色差OAM全息顯示。該方法通過非偏振依賴的衍射光學(xué)元件空間復(fù)用，無需復(fù)雜偏振光學(xué)元件，簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)并提升效率與可靠性，為輕量化AR/VR設(shè)備的OAM尋址動(dòng)態(tài)視覺效果與多用戶個(gè)性化內(nèi)容提供新思路。未來通過優(yōu)化波長(zhǎng)通道數(shù)與串?dāng)_抑制，可進(jìn)一步提升性能，推動(dòng)消色差三維光學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用。

上海理工大學(xué)智能科技學(xué)院2023級(jí)碩博連讀生蘇航為本文第一作者，方心遠(yuǎn)研究員、李保莉博士為本文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62422509），以及上海市自然科學(xué)基金（No. 23ZR1443700）。

作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學(xué)元件與儀器支持。