声学超表面实现相位全息成像：突破传统振幅限制的信息传输新范式

本综述创新性地提出了基于声学超表面的相位全息（APH）技术，通过迭代优化算法实现振幅与相位解耦，显著降低了传输损耗并增强抗干扰能力。该研究为声学通信（acoustic communications）和波成像（wave imaging）领域提供了新思路，突破了传统振幅全息（AH）技术的局限性。

　　

引言

传统声学超材料全息技术主要关注通过声波振幅或强度场生成三维图像，这些能量分布可被观察者感知，但相位在成像平面通常被视为次要参数。然而从信息传输视角，相位作为等效于振幅通道的信息载体具有重要价值。本研究引入声学相位全息概念，通过迭代优化设计流程实现相位与振幅分布的解耦控制。

振幅耦合与解耦机制

声学全息中存在振幅与相位图像的耦合现象。当预设振幅设为均匀分布时，相位图像仍受耦合效应影响而不完美。通过声压波动方程的数学分析发现，在平面波激发下，虚部主导着相位与振幅的实时动态耦合。声能沿传播方向保持恒定的特性表明，通过调节振幅与相位的能量守恒关系可以实现耦合控制。通过将预设振幅迭代优化为特定补偿分布，最终在成像平面获得解耦后的精细相位图像。

振幅补偿优化与相位解耦

相位与振幅在全息中的相互作用呈现多维耦合特性。本研究构建了结合直接/间接耦合的联合优化模型，通过角蜥优化算法（HLOA）平衡全息图全局振幅补偿与局部保真度性能。以字母"P"的87×87像素相位图像为例，经过1000次迭代后振幅补偿逐渐稳定，最终获得具有最佳耦合振幅补偿的相位全息图像。

实验验证与性能分析

在消声室环境中通过3D打印技术（精度0.1mm）制备声学超表面样品，采用双麦克风法测量相位场。实验结果显示，优化后的相位全息（OPH）图像比普通相位全息（PH）更加精细，实验测量与仿真结果高度一致。通过计算超表面的入射和反射声能，测得相位全息成像的总效率约为80%。

传输性能优势

在15-25cm成像距离范围内，OPH方法的图像相关性始终保持在90%以上，而AH方法则随距离增加呈现下降趋势。这表明相位全息比传统振幅全息具有更优异的抗衰减性能，可能源于衍射效应随传输距离累积对声波振幅的影响大于对相位的影响。

抗干扰能力验证

在复杂噪声环境下测试表明，OPH方法在所有噪声水平下都表现出最佳抗干扰性能，重建图像相关性始终超过90%。PH方法相关性相对稳定，而AH方法随噪声强度增加明显下降。这种抗噪声性能优势显示了相位全息在声学通信应用中的显著价值。

结论与展望

本研究通过引入耦合振幅补偿和迭代优化，实现了相位全息成像与振幅成像的解耦。声学超表面同时实现振幅和相位调制，展示了相位全息相比传统振幅全息的显著优势。当前设计需要连续振幅和相位调制，未来可通过声学编码超表面进一步优化。相位全息成像技术有望应用于不同介质中的声场，但需要根据声速、声阻抗和衰减差异重新设计声学超材料。