色散调控紧凑型扭转超表面实现三维频率可重构全息术

为解决超表面全息术中动态色散重构的难题，研究人员开展了基于色散调控逆向设计框架（DIDF）的双层扭转超表面系统研究，实现了在微波频段内空间-频率复用与消色差全息图的动态切换。该研究通过辐射型超表面（RA-M）与相位型超表面（P-M）的级联与相对旋转，突破了传统超表面色散特性固定的限制，为近场计算成像/检测和高速大容量近场无线通信提供了新方案。

　　

全息术利用光学干涉和衍射原理重建三维物体，在先进光子学研究中备受关注。其核心优势在于能够灵活调控重建场的色散特性——近眼显示需要消除色差以提升成像质量，而彩色全息显示则需动态光谱调谐能力。传统方法依赖透镜和偏振片等 cascaded optical elements（级联光学元件）实现色散控制，但会导致结构复杂化，难以集成到紧凑光电平台中。

近年来，超表面全息术以其革命性优势脱颖而出。这种技术通过二维平面上的超紧凑光学元件逐点调控电磁波特性，尤其在色散控制方面展现出前所未有的能力。现有研究主要通过亚波长元件设计、多层结构补偿等方法实现消色差或波长复用全息，但绝大多数方案的色散特性一旦制备即固定不变。然而在光学加密、动态显示等应用场景中，可重构的色散控制能力至关重要。当前重构策略主要集中在输入波前调制或可调超原子设计，但均未有效解决色散动态重构的难题。

在这项发表于《PhotoniX》的研究中，Pang等人提出了一种色散调控逆向设计框架（DIDF），通过扭转超表面系统实现了三维多平面频率可重构全息术。该技术的物理实现基于辐射型超表面（RA-M）与相位型超表面（P-M）组成的紧凑双层结构。RA-M提供相位可调的输入激励，而P-M的旋转创造了全息图的可重构响应。研究人员通过建立目标色散特性与超表面相位分布的数学关系，采用瑞利-索末菲衍射理论（RSDT）进行正向传播计算，并利用自适应矩估计优化器进行误差反向传播，最终实现对多频率、多平面全息图的高纯度重建。

关键技术方法包括：1）设计宽带RA-M和P-M超原子库，实现2π相位覆盖；2）构建1-to-4096馈电网络确保均匀激励；3）采用旋转编码机制实现三状态切换（0°/90°/180°）；4）基于RSDT的波传播计算与优化；5）微波暗室近场扫描测量验证性能。

研究结果显示：

架构设计：系统采用64×64超原子阵列，总尺寸396 mm×396 mm。RA-M提供集成馈电，P-M通过旋转改变有效相互作用区域，实现动态功能切换。

仿真性能：在三个旋转状态（0°/90°/180°）下分别实现了多频率单平面全息（字符"1/2/3"）、3D多频率全息（字符"4/5/6"）和宽带消色差全息（字符"7"）。成像效率在18.4%-37.6%之间，信噪比（SNR）达2.07-3.54 dB，皮尔逊相关系数（PCC）达0.8396-0.9131。

实验验证：制备的样机在12-18 GHz频段内成功演示了三种状态的动态切换，测量结果与仿真高度一致。虽然存在邻近频点串扰和效率波动，但目标频点成像质量优异，验证了DIDF框架的有效性。

研究结论表明，这种色散调控逆向设计框架成功实现了频率可重构全息术的动态切换功能。该工作突破了传统超表面色散特性固定的限制，通过机械旋转实现了复杂的色散重构功能。双层紧凑型架构（总厚度约5.25λ）为微波计算成像/检测和近场通信应用提供了创新解决方案：频率复用全息可减少射频硬件通道数，实现并行多模式测量；空间复用可提供高维编码照明；重新配置能力允许实时调整全息分布以适应变化的近场环境。该框架为超表面全息术中的色散工程提供了新的理论基础，并建立了可扩展到整个电磁频谱的通用平台。