通过激光相干调谐抑制超全息伪影

由美国耶鲁大学、中国哈尔滨工业大学（深圳）的科学家团队合作，开发了一种高效的在保持图像质量的同时抑制全息伪影的方法。该方法基于对照明相干性的微调，使用简并腔激光器实现，允许在总功率和时间相干变化不大的情况下，在很宽的范围内精确和连续地调谐激光发射的空间相干性。

超表面全息图（meta-holograms）是一种超薄的人造表面，旨在用于塑造入射光并将其投射到极宽的角度。超表面全息图开辟了许多可能性，例如光复用、信息处理、3D显示、高密度数据存储和光学编码等。尽管该领域已经取得了一些显着的进步，但这种全息图的实际应用之路仍然受到来自全息表面的构建块和不可避免的制造缺陷之间的强相互作用的伪影的阻碍，最终导致全息图像失真和退化。同时，超表面全息图的小尺寸，加上制造缺陷的随机性，使得伪影问题极难纠正。

大多数激光器以单个或几个空间模式工作，并产生高度相干的发射。当使用激光照射超全息图时，散射波的干扰会产生相干伪影并严重扭曲图像。科学家们逐渐降低激光照明的相干性以修正全息伪影。但是，如果相干性太低，全息图像的细节就会模糊。因此，在不显着损失空间分辨率的情况下，找到最佳的相干度以抑制伪影是必不可少的。这是通过一种新型激光源实现的，其发射的空间相干性可以逐渐、准确和有效地进行调谐。

研究人员介绍了一种通过微调照明的空间相干性来抑制所有伪影的有效方法，该方法是采用简并腔激光器实现的，它允许在很宽的范围内精确和连续地调整空间相干性，发射光谱和总功率几乎没有变化。我们找到了最佳的空间相干度，以在保持图像清晰度的同时抑制元全息图的相干伪影。首先他们设计和制造了一个超表面全息图，由玻璃基板顶部的硅纳米柱制成，全息图的相位调制是通过单个纳米柱（超表面原子）的共振散射来实现的。如图1所示，激光通过逐渐平移激光腔内的单个透镜（圆虚线）来调谐，从而精确控制激光束的相干性。光束被成像系统聚焦到所制造的超表面全息图（圆虚线）上，该全息图将光束塑造成一个恒星的图像（圆实线）。当腔内透镜被平移到位置（i）时，单模激光在腔内产生，由于相干干涉而产生充满伪影的退化图像[插图（i）]。当透镜被设置到位置（ii）时，激光器被调谐以产生最佳数量的模式，从而产生一个全息图像，该图像包含很少的伪影，同时保持其清晰的细节[插图（ii）]。与通过移动扩散器降低激光空间相干性的传统方法相比，该方法有几个明显的优点：(i) 简并腔激光器空间相干性的精确、连续调谐，其可以达到任何期望的空间分辨率的最大对比噪声比（CNR）。(ii) 调谐是节能的，不会引入显着的功率变化。 (iii) 简并腔激光器发射的光谱宽度（时间相干度）在空间相干调谐期间保持恒定，这对于具有强色散的超全息图很重要。 (iv)不需要预处理或后处理程序。(v） 快速激光动力学导致DCL发射的快速退相干，从而实现高速元全息。

图1. 可调谐激光源、超表面全息图和投影全息图的图示。

与其他非相干光源相比，这里所用的简并腔激光器的光谱辐射（光子简并数）比超发光二极管（SLD）高出一个数量级，比发光二极管（LED）高出六个数量级。如此高的亮度对于积分时间短的动态成像至关重要。调谐空间相干性比调谐时间相干性更适合抑制相干伪影。当被具有低时间相干性但高空间相干性的宽带光抑制时，超表面全息图产生多个图像，其大小随波长变化。另外，时间相干调谐通常是通过宽带光源的光谱滤波来实现的，这会引起光照功率的显著变化。

该方法在抑制相干伪影的同时，不能通过降低空间相干性来完全消除相干伪影，否则会造成图像模糊。在空间分辨率几乎没有损失的情况下，完全去除所有相干伪影是一项挑战，但在未来，通过使用机器学习和逆向设计优化超表面结构，将串扰和位错最小化，通过高精度纳米制造减少制造缺陷，这是可能的，在光照空间相干性略有降低的情况下，去除残余伪影。

这项工作可以快速有效地抑制由不同类型的超表面全息图产生的所有相干伪影，它为元全息图在动态显示、增强现实、光存储、光束复用、非线性全息和光学操纵中的应用铺平了道路。