全息技術能夠完整記錄和再現光場的波前信息，在三維顯示、數據存儲、光學加密等領域發揮了至關重要的作用。例如，全息三維顯示技術無需佩戴設備、不易引起視覺疲勞，被認為是虛擬現實（VR）/增強現實（AR）近眼顯示、智能車載抬頭顯示（HUD）等應用的終極解決方案。但是，傳統全息圖只能記錄一幅圖像，難以實現動態立體顯示。

與之相比，新興的軌道角動量（OAM）全息技術利用OAM自由度，開辟了寬廣的信息存儲空間。類似于電影的膠片，數百幀圖像可記錄在同一張OAM復用全息圖中，其中每幀圖像只對應特定的OAM階數，相當于被賦予了一個專屬密碼；通過不同階OAM光束依次照射全息圖，實現三維影像的動態刷新，理論上可大幅提升全息技術的信息容量和安全性。

然而，OAM全息圖的大容量與高分辨率是一對矛盾。由于全息圖的各OAM通道之間存在強烈串擾，為了確保每個像素位置的OAM性質不被破壞，必須對原始圖像進行稀疏采樣（圖1a）——嚴格要求采樣間隔（L）不小于最高階OAM模式的直徑（dmax），即γ=dmax/L≤1。γ=1即對應目前OAM全息技術的分辨率上限，如圖1b的藍色曲線所示，隨著復用通道數量增多（dmax增大），圖像分辨率損失嚴重（L同比例增大）。該瓶頸問題極大限制了OAM全息技術的容量和分辨率的提升空間。

圖1.OAM全息技術中分辨率與復用通道數量的矛盾

圖2.OAM全息技術復用串擾來源及抑制方法示意圖

針對以上難題，清華大學精儀系先進激光技術團隊建立了OAM全息復用串擾的綜合分析模型，提出了幾乎無串擾的偽非相干方法，并通過時分復用技術實現了近似的相干方法。新技術放寬了對OAM全息采樣條件的限制（γ可增大數倍，如圖1b的紅色、紫色曲線所示），突破了現有OAM全息技術的分辨率上限，顯著提升了重建圖像的分辨率（相同復用通道數量下）和復用容量（相同分辨率下）。工作原理如圖2所闡釋：現有OAM全息技術對應于圖2a的普通相干方法，當γ>1時，重建圖像中的OAM特性被完全破壞，引起強烈的復用串擾；圖2b的非相干方法雖然能夠抑制復用串擾，但由于時域/空域色散，重建圖像會變模糊；圖2c和圖2d分別為本工作提出的偽非相干方法、時分復用相干方法，使重建圖像始終保持OAM特性，即使在超分辨情況下仍能獲得高質量重建。

基于50張二值OAM全息圖的時分復用，本工作展示了2倍超分辨條件下（γ=2）5幅灰度圖像的OAM復用（圖3）、4.7倍超分辨條件下（γ=4.7）201幀視頻的OAM復用（圖4）、9.2倍超分辨條件下（γ=9.2）81幅二值圖像的OAM復用（圖5），均表現出優于復振幅OAM全息、相位型OAM全息方法的重建質量。

圖3.五個中國地標性建筑256階灰度圖像的OAM復用（2倍超分辨），其中SSIM為結構相似性系數

圖4.OAM復用256階灰度圖像全息視頻（4.7倍超分辨）：（a，b）201個不同OAM光束依次照射全息圖，獲得201幀高質量全息視頻；（c）強度起伏系數（CV）、結構相似性系數（SSIM）等評價因子隨OAM復用通道數量的變化

圖5.二值圖像的OAM復用(最高9.2倍超分辨,81通道) 該技術通過數字微鏡陣列（DMD）進行演示，但也適用于可編程超表面、鐵電液晶空間光調制器、數字光處理投影儀等各類可重構平臺。該工作為實現兼具高分辨率、大容量的全息系統提供了實用化解決方案，對智能顯示、全息加密、全息存儲等應用的性能提升具有重要意義。進一步結合硬件在環的迭代方法，糾正實驗中不均勻照明、光學系統像差和調制器件誤差引起的圖像質量下降，有望實現更高分辨率、更大容量的OAM全息復用。 該研究工作的完成單位為清華大學精儀系、時空信息精密感知技術全國重點實驗室、光子測控技術教育部重點實驗室。論文第一作者為精儀系2019級博士生石子健，通訊作者為精儀系柳強教授、付星副教授，其他作者還包括精儀系博士生萬震松、戰子鈺、劉凱歌。研究工作得到國家自然科學基金資助。 研究成果近日以“超分辨軌道角動量全息技術”（Super-resolution orbital angular momentum holography）為題發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

審核編輯 ：李倩