近日，北京理工大学黄玲玲教授团队提出了一种基于超表面的结构光束坐标变换与复合全息显示方案，利用复振幅调制的超表面实现了近场、远场空间，结构光束、全息光场多维光学属性的复合呈现。
图一：变换结构光束复合全息显示示意图
结构光束具有丰富的空间模式，被广泛应用于激光加工、光场整形等领域。此外，依赖算法优化和计算机辅助设计，全息能够实现任意复杂的光场形态。然而，全息光场通常仅能在特定平面呈现预定设计图案。因此，如何将结构光束的空间传输轨迹灵活性与全息光学的自由形态图案优化相结合，成为一个备受关注和发展的方向。
为了实现结构光束与光学全息灵活设计的结合，黄玲玲教授团队创新性提出坐标仿射变换的结构光束设计与全息复用，通过超表面复振幅调制和相位调制相结合，实现了复合光场多维度光学属性的综合呈现。针对结构光束，采用Alias坐标变换方法，将传统形式厄密特-拉盖尔高斯光束转换为任意形状的变换结构光束，并且保持结构光束的特征模式分布。运用雅可比矩阵为新旧坐标系特征之间建立转换关联，实现光束模式转换的一一对应。该仿射变换为结构光束的表达引入了新维度，打破了传统厄密特-拉盖尔高斯模式的限制。通过在未调制区域设计全息图，能够在实空间和傅里叶空间中分别独立呈现变换结构光束和全息图，实现多类型光学信息、多维度空间特征的综合应用。
图二：结构光束坐标变换方法
该超表面利用组合天线几何相位实现复振幅控制，并与纯相位调制相兼容，实现了简单明了的设计准则。像素级别的灵活控制能够实现纯相位特征、复振幅信息的精确调制。具有结构光束和光学全息术的复合光场不仅实现了波动方程的解析解和优化解的联合构造，而且实现了光在实空间和傅立叶空间中的传播。该独特的光学现象不仅扩展了传统结构光束的定义，而且可能为激光制造、光学操作、光学显示等应用打开新的大门。
图三：仿真及实验结果对比图