近日，Advanced Science 報道了上海理工大學方心遠研究員、李保莉博士團隊取得的新科研成果，相關(guān)工作‘’Achromatic 3D Multi-Color Orbital Angular Momentum Holography‘’(Advanced Science 2025, 2503488. https://doi.org/10.1002/advs.202503488) 提出了一種利用空間復用方案實現(xiàn)消色差3D多色OAM全息的新方法。實驗結(jié)果表明，該方法利用亞波長像素尺寸的納米印刷全息圖，實現(xiàn)了雙平面、三色和三通道OAM復用全息顯示。這一突破為高容量、多光譜3D全息數(shù)據(jù)存儲和檢索鋪平了道路，對AR/VR顯示、光學全息加密和光學人工智能具有重要意義。

該工作利用晶萃光學JCOPTIX提供的透鏡元件，展示了一種雙平面、三色和三通道OAM復用全息顯示。

全息技術(shù)是利用全息圖記錄和重建物體的三維波前，已廣泛應用于三維顯示、光學加密、數(shù)據(jù)存儲、和人工智能隨著大數(shù)據(jù)時代信息量的急劇增加，光的各種物理維度，如波長、極化、入射角、空間和時間等被作為全息中的信息載體，以提高單個全息圖的信息容量。由此產(chǎn)生的光復用全息概念在許多應用中取得了巨大的成功，包括高安全性光學加密，光學可尋址動態(tài)顯示，和并行神經(jīng)形態(tài)光學計算在這方面，信息渠道的改善是一個很大的需求。

軌道角動量（OAM）以螺旋波前exp（jlφ）表示（其中l(wèi)和φ分別表示螺旋波前的螺旋模指數(shù)和方位角），由于其理論上無界的螺旋模指數(shù)在信息光學領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注，極大地促進了高容量光通信、6D數(shù)據(jù)存儲、時空光場、和高維量子糾纏等開創(chuàng)性概念的發(fā)展近年來，OAM復用的概念已擴展到光學全息領(lǐng)域具體而言，通過在動量空間中對數(shù)字全息圖進行適當?shù)目臻g頻率采樣，將離散目標物體的傅里葉變換與OAM螺旋波前進行卷積，以創(chuàng)建依賴于OAM的全息圖。為了在實際應用中進一步增加信息信道數(shù)量，研究人員開始關(guān)注OAM與其他物理維度的協(xié)同復用。例如，具有不同自旋本征態(tài)和OAM態(tài)的光束可以在高安全性嵌套全息加密方案中單獨編碼此外，還提出了一種偽非相干方法，通過時間復用來提高OAM全息術(shù)中全息圖像的空間分辨率最近，波長在人類視覺感知中起著至關(guān)重要的作用，也被用于探索獲得多色OAM全息。然而，由于傅里葉變換時透鏡功能的色散引起的軸向色差（ACA），無法在同一傅里葉平面內(nèi)獲得不同波長的重建圖像，阻礙了三維彩色全息的發(fā)展。

為了解決上述問題，上海理工大學方心遠、李保莉等人提出了一種利用空間復用方案實現(xiàn)消色差3D多色OAM全息的新方法。具體而言，通過將波長特定的透鏡功能疊加到單色傅立葉OAM相關(guān)全息圖上，然后通過雙光子光刻進行高分辨率空間離散和交錯，開發(fā)了光學數(shù)字化的消色差OAM相關(guān)全息圖。實驗結(jié)果表明，該方法利用亞波長（600 nm）像素尺寸的納米印刷全息圖，實現(xiàn)了雙平面（沿光傳播方向）、三色（633、532和460 nm）和3通道OAM復用全息顯示（OAM階l = 1,4和7）。這一突破為高容量、多光譜3D全息數(shù)據(jù)存儲和檢索鋪平了道路，對增強現(xiàn)實(AR)/虛擬現(xiàn)實（VR）顯示、光學全息加密和光學人工智能具有重要意義。

在傅里葉全息術(shù)中，透鏡函數(shù)的軸向色差（ACA）會導致重建圖像沿光傳播方向產(chǎn)生波長依賴性位移，表現(xiàn)為不同波長圖像在傳播距離上的線性偏移（斜率λG/λ0）。該現(xiàn)象源于透鏡相位函數(shù)的波長敏感特性：當預設(shè)焦距為f0的透鏡在波長λ0工作時，紅光λR的實際焦距變?yōu)閒R=λ0/λR*f0，且焦距偏差隨預設(shè)焦距增大而加劇。為克服此限制，研究采用波長定制化透鏡組——針對λG、λR、λB等波長分別優(yōu)化相位函數(shù)，將各波長焦平面約束至特定位置（d1/d2），并通過微納加工技術(shù)對相位分布進行空間離散化與交織疊加。該方法成功校正了軸向色差，實現(xiàn)了雙成像面（D=d1,d2）的消色差三維軌道角動量復用全息顯示，最終在超緊湊光學數(shù)字化全息片上實現(xiàn)了多波長可切換的高保真彩色重建。

通過將六幅彩色圖像分為三組單色圖像并分配到間距為Δd的兩個成像平面（Δd>1.7mm時平均結(jié)構(gòu)相似度SSIM穩(wěn)定在0.76），每組圖像編碼至三個正交OAM通道。經(jīng)空間離散化與交織疊加的軸向色差校正后，利用雙光子光刻技術(shù)制備了超緊湊消色差OAM復用全息圖（分辨率680×680，分3×3區(qū)塊加工）。實驗表明：當以不同波長OAM解碼光束照射時，六幅彩色圖像能在特定景深（D=d1,d2）高質(zhì)量重建；采用周期性模式選擇孔徑陣列可進一步提升圖像信噪比。通過像素強度分布分析（圖2e）及波長-OAM通道串擾矩陣驗證（圖2f），該技術(shù)成功實現(xiàn)了雙平面三基色OAM可切換全息顯示。

這項工作通過空間復用方案解決傳統(tǒng)傅里葉OAM全息系統(tǒng)的軸向色差難題，在空間頻率域?qū)崿F(xiàn)多波長空間重合控制。采用雙光子光刻制備亞波長像素（600 nm）的數(shù)字化全息圖，成功演示雙平面、三色、三通道的消色差OAM全息顯示。該方法通過非偏振依賴的衍射光學元件空間復用，無需復雜偏振光學元件，簡化系統(tǒng)架構(gòu)并提升效率與可靠性，為輕量化AR/VR設(shè)備的OAM尋址動態(tài)視覺效果與多用戶個性化內(nèi)容提供新思路。未來通過優(yōu)化波長通道數(shù)與串擾抑制，可進一步提升性能，推動消色差三維光學系統(tǒng)的創(chuàng)新應用。

上海理工大學智能科技學院2023級碩博連讀生蘇航為本文第一作者，方心遠研究員、李保莉博士為本文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金項目（62422509），以及上海市自然科學基金（No. 23ZR1443700）。

作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學元件與儀器支持。