【儀表網 研發快訊】空間光調制器(SLM)是實現三維全息顯示、自動駕駛激光雷達、增強與虛擬現實以及高性能激光制造等先進光學系統的核心器件。衡量SLM綜合性能的關鍵指標是“時空積密度”(Spatiotemporal Product Density, STPD)，即單位面積內可獨立調控像素數與調制速率的乘積。理論與工程分析表明，若要實現真正的實時三維全息顯示，STPD需達到1012 pixels/(s·cm2)量級。然而，這一指標遠超現有商用和科研SLM的能力范圍，成為制約三維顯示技術走向實用化的核心瓶頸。
 

　　近日，武漢光電國家研究中心熊偉教授、高輝副教授團隊聯合新加坡國立大學仇成偉教授團隊，在Nature Nanotechnology發表了題為 “Spatial Light Modulator via Optically Addressed Metasurface” 的研究論文。研究團隊提出了一種新型光尋址超表面空間光調制器，實現高速亞波長級波前調控，首次跨越了實時動態三維全息顯示的性能門檻。
 

　　武漢光電國家研究中心和光電信息學院為論文第一完成單位。范旭浩博士為論文第一作者，熊偉教授、高輝副教授和仇成偉教授為共同通訊作者。其他主要合作者包括華中科技大學夏金松教授、王玉西博士、焦玢璋博士、許可，新加坡國立大學周舟，以及香港中文大學陳世祈教授。該研究獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、湖北省創新群體和新加坡教育部等項目資助。
 

　　盡管過去幾十年中，基于液晶硅(LCoS)和數字微鏡(DMD)的空間光調制器不斷進步，但這些器件受限于材料和物理機制，像素尺寸難以進一步壓縮。現有商業SLM像素尺寸普遍大于3微米，遠大于可見光波長，嚴重限制了STPD提升空間。近年來，超表面技術為亞波長尺度光場調控帶來了新機遇。通過精細設計的納米結構單元，超表面可以在極薄結構中實現精確的相位與振幅調控。然而，傳統“電尋址”超表面仍然面臨二維電互連復雜、像素串擾嚴重等問題，多數只能實現一維掃描或單參數調制，刷新速率也往往停留在毫秒量級，難以滿足實時全息應用需求。
 

　　針對上述挑戰，研究團隊提出光尋址超表面空間光調制器(OA-MSLM)架構。該器件基于預離散化超表面平臺，將亞波長超構單元預先編碼為靜態調制函數，并通過結構化光束進行獨立光學尋址，實現“以光控光”。這一設計從根本上規避了傳統電尋址結構中的布線密度與串擾限制，使像素間距壓縮至756 nm，進入可見光波長尺度。同時，器件實現千赫茲級動態響應，刷新時間間隔僅為77 μs，STPD達到2.3×1012 pixels/(s·cm2) ，較以往技術提升三個數量級，首次跨越實時動態三維全息顯示的性能門檻。
 

　　在全息顯示實驗中，研究團隊利用器件對光振幅與相位的獨立調控能力，實現了高保真復振幅全息顯示。相比傳統僅調控相位的全息方法，該方案顯著抑制了散斑噪聲與干涉偽影，圖像清晰度和細節還原能力明顯提升。同時，復振幅編碼計算效率大幅提高，僅為傳統算法的1/50。如圖3所示，團隊進一步實現了13000幀/秒的動態全息視頻顯示，并驗證了紅、綠、藍三色寬帶響應能力，以及遠場、近場和多層菲涅耳全息重構，展現出高質量、實時、可擴展的三維全息顯示潛力。
 

　　進一步地，研究團隊展示了器件在動態光束調控方面的能力。通過對超表面進行動態復振幅編碼，器件可實現遠超傳統二維空間光調制器的大角度光束掃描，并在偏轉過程中保持優良的遠場光束質量，如圖4所示。依托亞波長像素結構和微秒級響應特性，該平臺能夠支持高速連續掃描與隨機訪問式方向切換，快速在數百個不同出射方向之間重構預設圖案，成功演示了圖案化光束掃描軌跡。該結果表明，該器件不僅適用于高質量全息顯示，也具備面向激光雷達、激光制造、自由空間光通信等高速動態光場操控系統的應用潛力。
 

　　綜上所述，該研究提出了一種基于光尋址的超表面空間光調制新架構，實現了亞微米像素級動態波前調控，首次達到真實三維全息顯示所需的時空積密度。通過復振幅全息、三維聚焦和高速光束偏轉等實驗驗證，該平臺展現出多維光場實時操控能力，為動態波前調制提供了全新的技術路徑。未來，結合更高像素規模、緊湊光子集成及多層、多光譜超表面等技術，有望實現片上多維光場調控，推動沉浸式顯示、激光雷達、激光智能制造與光通信等領域的發展。