导读
近日，太阳成集团122ccvip徐挺教授、陆延青教授团队在三维矢量光场调控领域取得重要进展。研究团队提出并实验验证了一种基于超构表面的三维矢量全息新方法，通过将目标光场分解为具有可调纵向响应函数的结构光束阵列，首次在三维空间中实现了轴向强度与偏振态的独立、并行调控，突破了传统全息技术难以同时控制三维空间内深度与偏振的瓶颈。该技术不仅展示了高保真度的宽带三维矢量全息投影，还进一步发展出基于偏振-深度联合编码的物理层光学加密方案，为高容量光学存储、安全通信与量子信息处理提供了全新路径。
研究背景
三维矢量光场的精确生成与调控，是现代光学领域长期追求的目标，也是推动下一代体显示、光学加密、显微成像和量子光学发展的核心能力。在众多光学技术中，全息术作为一种理想的波前重建技术，虽然在三维显示方面展现出巨大潜力，但传统基于空间光调制器或体介质的方法，存在系统集成度低、效率不足等局限，特别是难以在三维空间中同时、独立地调控光的强度与偏振矢量，这严重限制了其在复杂矢量光场构建中的应用。
随着纳米光子学的发展，超构表面作为一种由亚波长人工原子构成的二维平面器件，为突破这一瓶颈提供了新的可能。超构表面能够通过对局域光场的振幅、相位和偏振进行灵活调控，已成为片上光场调控的强大平台。近年来，尽管已有研究实现了二维平面上的矢量全息或多通道复用，但真正意义上的三维矢量全息——即在三维体积内协调控制每一点的强度和偏振态——仍是一个尚未突破的挑战，迫切需要新的理论框架和技术路径。
创新研究
针对这一挑战，研究团队提出了一种创新的“分解—合成”策略：将复杂的目标三维矢量光场离散化为一系列结构光束的阵列，其中每个光束的轴向强度和偏振变化规律都可以独立调控（图1）。通过类傅里叶合成方法，每个光束由多个贝塞尔光束的干涉叠加来实现轴向响应调控，从而精确控制其在三维空间中的传播特性（图2右）。
图 1 基于轴向调控结构光束阵列的三维矢量全息示意图
为实现这一构想，团队设计并制备了基于非晶硅纳米柱的超构表面器件（图2右），构建了精确的矢量光场调控平台。通过双矩阵全息技术，研究团队将复杂的琼斯矩阵分布转化为可物理实现的酉矩阵，最终映射到超构表面上纳米柱的几何尺寸与取向角，从而在亚波长尺度实现对出射光相位与偏振的全面控制。
图 2 基于纵向调控超构表面的三维矢量全息设计原理示意图
（左：纵向响应函数构建与调制原理示意图；右：超构表面设计与结构示意图）
在实验验证阶段，研究团队首先展示了提出的超构表面的宽带三维强度全息效果（图3）：不仅在多个深度位置依次投影出目标字母图案，更在450 nm至633 nm的宽波段范围内保持重建图案的清晰度与对比度，证明了该技术的宽带鲁棒性。进一步地，研究团队演示了真正的三维矢量全息。通过在传播轴上设计偏振态的连续变化，包括偏振的连续旋转和手性的切换，实现了强度与偏振在三维空间中的协同调控。
图 3 基于纵向调制超构表面实现的宽带三维全息实验测量结果
基于三维矢量全息技术的能力，研究团队进一步开发了全光学加密方案（图4），为物理层安全通信提供了新范式。这一创新应用通过将密文信息隐藏在特定的轴向深度与偏振通道中，并在周围随机布置偏振正交的干扰光束，构建了具有高度安全性的光学加密系统。在该系统中，即使攻击者能够物理访问超构表面器件，也无法直接读取加密信息。只有在同时获得“深度密钥”与“偏振密钥”时，才能通过相应的滤波操作提取出隐藏信息。这种双重安全机制为高安全性通信与高容量数据存储提供了全新解决方案，在信息安全领域具有重要应用前景。
图 4 基于超表面三维矢量光场的深度—偏振双密钥全光学加密示意图
总结与展望
本研究工作首次在实验上实现了基于超构表面的三维矢量全息，建立了“纵向响应函数工程”这一全新范式，解决了三维空间中光场矢量属性调控的难题。所发展的超构表面平台兼具紧凑、宽带、可集成等优势，不仅推动了矢量光场调控从二维走向三维，也为高维光场编码、动态光学伪装、量子态制备等前沿应用奠定了技术基础。展望未来，这一技术框架具有广阔的发展前景。随着超构表面加工工艺与集成能力的进一步提升、动态可调材料（如相变材料、液晶等）的不断发展，这一技术框架有望在虚拟现实、激光加工、量子光源以及下一代光通信系统中发挥关键作用。
该成果以“Longitudinally engineered metasurfaces for 3D vectorial holography”为题发表于Light: Science & Applications。太阳成集团122ccvip博士生谭乐、助理教授霍鹏程和博士生林沛城为共同第一作者。研究获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金及江苏省自然科学基金等项目支持。
