华中科技大学讯 空间光调制器（SLM）是实现三维全息显示、自动驾驶激光雷达、增强与虚拟现实以及高性能激光制造等先进光学系统的核心器件。衡量SLM综合性能的关键指标是“时空积密度”（Spatiotemporal Product Density, STPD），即单位面积内可独立调控像素数与调制速率的乘积。理论与工程分析表明，若要实现真正的实时三维全息显示，STPD需达到1012 pixels/(s·cm2)量级。然而，这一指标远超现有商用和科研SLM的能力范围，成为制约三维显示技术走向实用化的核心瓶颈。
近日，武汉光电国家研究中心熊伟教授、高辉副教授团队联合新加坡国立大学仇成伟教授团队，在Nature Nanotechnology发表了题为 “Spatial Light Modulator via Optically Addressed Metasurface” 的研究论文。研究团队提出了一种新型光寻址超表面空间光调制器，实现高速亚波长级波前调控，首次跨越了实时动态三维全息显示的性能门槛。
武汉光电国家研究中心和光电信息学院为论文第一完成单位。范旭浩博士为论文第一作者，熊伟教授、高辉副教授和仇成伟教授为共同通讯作者。其他主要合作者包括华中科技大学夏金松教授、王玉西博士、焦玢璋博士、许可，新加坡国立大学周舟，以及香港中文大学陈世祈教授。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省创新群体和新加坡教育部等项目资助。
图1.光寻址超表面空间光调制器工作原理示意图
尽管过去几十年中，基于液晶硅（LCoS）和数字微镜（DMD）的空间光调制器不断进步，但这些器件受限于材料和物理机制，像素尺寸难以进一步压缩。现有商业SLM像素尺寸普遍大于3微米，远大于可见光波长，严重限制了STPD提升空间，如图2a所示。近年来，超表面技术为亚波长尺度光场调控带来了新机遇。通过精细设计的纳米结构单元，超表面可以在极薄结构中实现精确的相位与振幅调控。然而，传统“电寻址”超表面仍然面临二维电互连复杂、像素串扰严重等问题，多数只能实现一维扫描或单参数调制（图2b），刷新速率也往往停留在毫秒量级，难以满足实时全息应用需求。
针对上述挑战，研究团队提出光寻址超表面空间光调制器（OA-MSLM）架构（图2c）。该器件基于预离散化超表面平台，将亚波长超构单元预先编码为静态调制函数，并通过结构化光束进行独立光学寻址，实现“以光控光”。这一设计从根本上规避了传统电寻址结构中的布线密度与串扰限制，使像素间距压缩至756 nm，进入可见光波长尺度。同时，器件实现千赫兹级动态响应，刷新时间间隔仅为77 μs，STPD达到2.3×1012 pixels/(s·cm2) ，较以往技术提升三个数量级，首次跨越实时动态三维全息显示的性能门槛。
图2.空间光调制器原理对比。（a）传统液晶空间光调制器为实现完整2π相位调制通常需要数微米厚的液晶层，像素尺寸缩小时易产生边缘电场串扰，限制调制精度与微缩能力；（b）通过引入超构单元可在一定程度上减薄液晶层厚度，但仍受二维电互连复杂性与像素串扰影响；（c）光寻址超表面空间光调制器通过时变结构化光束在不同时间照射携带静态调制函数的超表面，依次激活不同空间调制通道，实现独立可控的亚波长级波前调制。
在全息显示实验中，研究团队利用器件对光振幅与相位的独立调控能力，实现了高保真复振幅全息显示。相比传统仅调控相位的全息方法，该方案显著抑制了散斑噪声与干涉伪影，图像清晰度和细节还原能力明显提升。同时，复振幅编码计算效率大幅提高，仅为传统算法的1/50。如图3所示，团队进一步实现了13000帧/秒的动态全息视频显示，并验证了红、绿、蓝三色宽带响应能力，以及远场、近场和多层菲涅耳全息重构，展现出高质量、实时、可扩展的三维全息显示潜力。
图3.基于光寻址超表面的高保真动态全息显示。（a）动态全息视频显示验证器件在实时动态全息显示中的稳定性与流畅性;（b）在蓝、绿、红三种代表性波长下实现宽带全息显示，验证器件在可见光范围内的兼容性与色彩调控能力；（c-f）通过改进算法，在超表面平面编码灰度幅度信息的同时，在物平面重构独立全息图像，并分别展示在超表面平面与全息平面聚焦条件下的实验重构结果，展现振幅与相位独立调控的灵活性。
进一步地，研究团队展示了器件在动态光束调控方面的能力。通过对超表面进行动态复振幅编码，器件可实现远超传统二维空间光调制器的大角度光束扫描，并在偏转过程中保持优良的远场光束质量，如图4所示。依托亚波长像素结构和微秒级响应特性，该平台能够支持高速连续扫描与随机访问式方向切换，快速在数百个不同出射方向之间重构预设图案，成功演示了图案化光束扫描轨迹。该结果表明，该器件不仅适用于高质量全息显示，也具备面向激光雷达、激光制造、自由空间光通信等高速动态光场操控系统的应用潜力。
图4.基于OA-MSLM的三维焦点调控与高速光束偏转。（a）动态聚焦全息显示示意图及实验结果，实现远离芯片平面的三维焦点重构；（b）沿光轴方向构建三维螺旋焦点结构，不同传播距离下的焦点分布形成连续空间轨迹，验证体三维光场重构能力；（c）动态光束偏转实验，通过改变光寻址方式形成不同相位梯度，实现可调衍射角度扫描；（d）器件时间响应测试结果，展示其微秒级动态调制能力；（e）图案化光束扫描演示，通过在多个出射方向间快速切换，在远场重构“HUST”字样图案，体现随机访问式多方向光束控制能力。
综上所述，该研究提出了一种基于光寻址的超表面空间光调制新架构，实现了亚微米像素级动态波前调控，首次达到真实三维全息显示所需的时空积密度。通过复振幅全息、三维聚焦和高速光束偏转等实验验证，该平台展现出多维光场实时操控能力，为动态波前调制提供了全新的技术路径。未来，结合更高像素规模、紧凑光子集成及多层、多光谱超表面等技术，有望实现片上多维光场调控，推动沉浸式显示、激光雷达、激光智能制造与光通信等领域的发展。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-026-02128-x
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