《Advanced Materials》：Monolithically 3D-Printed Spectral-Spatial Meta-Authenticators
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元表面全息术可在单个平面元件中编码多幅独立图像，然而在多个可见光波长下同时工作通常依赖于几何相位元件，此类元件需要特定的圆偏振态和笨重的偏振光学器件，或依赖于在可见波段可能存在吸收问题的高折射率介质。本研究展示了一种单片三维打印、低折射率、高度编码的元表面，该
元表面全息术可在单个平面元件中编码多幅独立图像，然而在多个可见光波长下同时工作通常依赖于几何相位元件，此类元件需要特定的圆偏振态和笨重的偏振光学器件，或依赖于在可见波段可能存在吸收问题的高折射率介质。本研究展示了一种单片三维打印、低折射率、高度编码的元表面，该元表面可在光谱（波长）和空间（近场与远场）通道上实现偏振不敏感、宽带的偏振全息。每个树脂柱所累积的传播相位由其高度决定，因此单一高度图即可同时确定每个波长下的相位响应，并充当多波长相位库。柱体的对称截面消除了对入射偏振态的依赖，透明树脂则确保整个可见波段内的低损耗响应。一种考虑制造工艺的优化方法将双光子光刻切片所施加的离散高度层级直接纳入损失函数，使设计以优化后的形态通过单一连续步骤完成打印，无需优化后的取整处理。实验上，该器件重建的远场图像可直接作为公钥读取，同时波长选择性和距离选择性的近场图像作为锁定密码，在无需偏振光学器件的非偏振照明条件下实现了紧凑的双凭证光学认证方案。
论文解读
一、研究背景与问题
元表面作为亚波长天线阵列，能够对入射波前施加空间定制的相位、振幅或偏振分布，将笨重的衍射光学元件压缩为平面化、可光刻定义的器件。在全息领域，元表面能够逐像素编程复振幅场，凭借亚波长尺度的元原子达到高空间分辨率，从而在单一元件中编码多幅独立图像。这种复用能力使其在高密度光学数据存储、防伪和光学加密等方向具有重要应用前景。然而，实现多波长同时控制长期面临两大瓶颈：其一，传统方案依赖Pancharatnam–Berry（PB）几何相位，虽然相位响应与波长无关、便于多波长编码，但严格绑定于单一圆偏振态，需要四分之一波片和偏振器，增加了系统复杂度并排斥非偏振或任意偏振入射光；其二，宽带消色差透镜和多波长全息图通常采用二氧化钛、氮化镓、氮化硅或非晶硅等高折射率介质，虽然有利于在薄层内实现完整的2π相位覆盖并提高效率，但部分高折射率平台在可见波段存在波长相关的吸收问题，且其制备依赖多步薄膜沉积、光刻和刻蚀工艺，将所有结构固定为单一均匀高度，将相位调控限制于面内几何，难以实现连续梯度高度这一自由度。
在信道分离维度上，偏振、波长和轨道角动量编码通常在同一远场域内重建，而表面纳米印刷与远场全息图的结合可将两个信道分别置于表面和无穷远处。近场多平面复用亦已有探索，但由同一元件同时产生远场全息图和近场重建，并在不同位置以不同方式读出，仍是一个具有挑战性的目标。远场图像可直接投影至屏幕肉眼观察、无需成像光学，而近场图像仅在特定设计距离和波长下显现，这种对比天然适合构建认证方案：远场图像作为公开可见的密钥，近场图像作为距离和波长锁定的密码。因此，开发一种同时满足偏振不敏感、宽带多波长复用、双域重建的元表面平台，具有重要的科学意义和应用价值。
二、研究内容与结论
针对上述问题，研究人员提出并展示了一种单一高度编码元表面，将相位编码于低折射率树脂柱的高度之中，利用对称柱截面消除偏振依赖，借助树脂在可见波段的透明性实现低损耗宽带响应，并通过双光子光刻（TPL）实现单片三维打印。实验证明，该器件在非偏振照明下同时重建远场公钥图像和波长选择性近场密码图像，实现了无需偏振光学器件的紧凑型双凭证光学认证方案。该研究发表于《Advanced Materials》。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：基于严格耦合波分析（RCWA）和时域有限差分（FDTD）的元原子透射与相位响应数值仿真；基于PyTorch实现的全息正向模型与设计优化框架，采用Gerchberg–Saxton相位恢复初始化高度图，以Adam优化器联合最小化远场与波长复用近场损失，并通过直通估计器（straight-through estimator）将双光子光刻切片距离（100 nm）所限定的离散高度层级直接纳入训练过程；采用Nanoscribe Quantum X shape双光子光刻系统以浸入式激光光刻模式在IP-Dip2负性光刻胶中单片打印元表面，基底为0.5 mm厚熔融石英玻璃；光学表征采用超连续谱激光器（SuperK FIANIUM，NKT Photonics）配合可调谐滤波器（LLTF Contrast，NKT Photonics）提供可见波段波长可选照明，远场全息图直接投影至屏幕肉眼观察，近场重建经50×物镜（NA 0.5，Olympus）和管镜（TTL200-A，Thorlabs）成像至CCD相机（INFINITY2-1RC，Lumenera），成像系统安装于电动平移台以选择重建平面。
四、研究结果
2.1 高度编码低折射率元表面用于双域全息：每个元原子为IP-Dip2低折射率光刻胶制成的对称柱体，高度H(x,y)决定传播相位。由于高度仅通过因子[n(λ)?1]/λ进入相位关系，单一高度图同时设定所有波长下的相位响应，充当多波长相位库。柱体面内对称性使相位响应与入射偏振无关，树脂在可见波段的透明性保证低损耗。RCWA仿真验证了相位关系、高且近乎与高度无关的透射率以及正交偏振下的相同响应，FDTD独立仿真和圆顶柱体形状敏感性分析均证实了设计的鲁棒性。同一透射场通过两种算子传播至两个空间分离的重建域：远场图像由夫琅禾费变换获得作为公钥，各近场图像由带限角谱法在设计传播距离z处重建作为密码。不同波长分配不同近场目标实现近场波长复用，远场密钥在整个波段共享。该框架还可沿传播距离复用，在仿真中实现了三维体全息重建。
2.2 面向三维纳米光刻的制造感知优化：TPL逐层曝光使可实现高度被切片距离量化，研究人员将设计约束为100 nm间隔、400至3000 nm范围内共27个可打印高度层级，并将该约束直接纳入优化而非事后施加。单一连续高度图是唯一可训练参数，由Gerchberg–Saxton相位恢复初始化后经Adam优化器联合最小化近场图像均方误差、远场密钥区域匹配和量化惩罚项。训练分两阶段进行：第一阶段高度自由探索，第二阶段通过直通估计器使用精确可打印高度进行前向重建同时保持梯度流动。量化感知设计相比先优化后取整的方案显著改善了重建质量，离散化优化后高度图几乎不改变重建结果，100 nm以下进一步细化收益甚微，而增大步长会降低近场重建质量。
2.3 高度编码元表面的三维纳米光刻：优化的高度分布以三维曝光文件传输至浸入式TPL打印机，780 nm飞秒激光经63×浸没物镜（NA=1.4）聚焦于IP-Dip2光刻胶中诱导双光子聚合。打印策略采用连续曝光与选择性曝光相结合：下部所有单元共享的高度范围内以100 nm填充和切片距离连续扫描整个区域，形成机械连接的聚合物基底；到达高度图不再为每个单元分配聚合物的层面后，仅对目标高度延伸至当前z平面的单元进行选择性曝光。制备的器件包含400×400个单元、500 nm周期，有效面积200×200 μm2。三维表面映射显示约0.4至3.0 μm的高度变化浮雕，SEM图像确认了像素化高度分布和高度变化的纳米柱几何结构。
2.4 双凭证偏振不敏感光学认证：实验表征系统采用超连续谱激光器配合可调谐滤波器提供可见波段波长可选照明，光束经孔径照射元表面，远场全息图直接投影至屏幕肉眼观察，近场重建经物镜和管镜成像至CCD，成像系统沿光轴平移选择重建平面，光路中不放置任何偏振器或波片。在每个工作波长下，同一高度图同时产生远场重建和不同的近场重建：远场形成列出工作波长及其顺序的公钥，各近场在设计距离处形成波长特定的密码。x偏振、y偏振和非偏振照明下的重建结果除整体亮度外完全一致，直接验证了偏振不敏感性。读取密码需同时满足照明波长和传播距离（z=400 μm）与设计匹配，按公钥指定顺序读取密码（2-1-3-4）即可恢复秘密信息，任一凭证错误均使消息保持隐藏。
五、讨论与结论
该研究的核心意义在于证明偏振不敏感的多波长控制可通过传播相位和垂直结构自由度实现，而非依赖几何相位和高折射率材料。以梯度高度换取材料和面内复杂度，低折射率树脂即可支持通常需要高折射率介质和圆偏振光学器件的宽带多波长全息，拓宽了可见光元光学的材料选择空间。在系统层面，以单一元件同时寻址远场和近场将空间分离转化为安全功能：远场密钥可直接肉眼读取，每个近场密码仅在正确波长和传播距离下恢复，实现了在非偏振光下工作、无需任何偏振光学器件的紧凑双凭证认证方案，并在仿真中通过距离复用扩展至三维体重建。优化设计以单一步骤单片制造完成，且树脂折射率与可压印聚合物相当，该方法有望转移至基于复制的规模化制造，面向紧凑光学安全和高端信息存储应用。研究结论表明，高度编码元表面为实现偏振不敏感、双域、波长复用的全息提供了一条实用路径。
