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论文地址：

https://spj.sciencemag.org/research/2019/9564593/

研究背景

真实地显示三维（3D）物体已经引起了人们广泛的兴趣。三维显示技术致力于为人眼提供感知三维物体所需的深度暗示信息，其中一种技术是通过呈现两个或多个二维（2D）图像来提供三维感知信息。这种三维显示技术依赖光的某个独立自由度来携带和传递一个二维图像；因为可用的自由度数目有限， 所以到目前为止这类三维显示技术能提供的二维图像个数和三维感知的能力在原理上和实验中都有相当大的局限，无法实用化。

研究进展

多年来人类一直在追求和发展高密度高通量信息传输技术，信息科学的革命改变了历史进程。携带轨道角动量的螺旋光具有无穷数量的正交本征模式。此前， 螺旋光只被用来传递在轴零维（0D）单点信息。剑桥大学初大平教授、褚嘉琦博士和美国迪士尼研究所的奎恩•史密斯威克博士通过推导和实验发现，螺旋光也可以用来传递二维信息。不同模式的螺旋光组成光波动方程的一组无穷正交解；基于这样无穷大的空间自由度，原理上多模螺旋光能够传递无限的信息量。这种通过螺旋光传递二维信息的方式为三维显示提供了新机会。

下图是通过螺旋光传递多个二维图像来模仿三维物体的信息，实现三维显示的原理示意图。其中每个二维图像的信息可以通过一个模式的螺旋光传达，三维显示能通过复用不同模式的螺旋光来实现（图a）。

如何用单个模式的螺旋光来传递一幅二维图像是这项研究的核心。如果把在轴参考坐标放在一个离轴的位置，一束单模螺旋光可以被分解成多束不同模式的螺旋光，所对应模谱依赖于离轴位置（图b）。通过对加载了二维图像的螺旋光模谱的进一步分析表明，用不同模式的螺旋光加载不同二维信息经空间混合复用后仍可以被分别清晰重建。

未来展望

螺旋光理论上的无穷多个正交模式使传递多个二维图像成为可能，从而可以实现更真实的多视三维显示。在具体应用上，这种方法不局限于单色（波长）图像（图c）；而且能够同时传递的图像数量只受到目前技术所能生成螺旋光的模式数目限制。这种可以极大地增加空间光所携带信息量的方法，同时也可以应用于包括超大规模超高通量光通信等在内的其它领域（图d）。

作者简介

初大平教授现任英国剑桥大学光电子与传感器组教授、主任，剑桥大学工程系先进光电与电子研究中心主任，英国物理学会会士（Fellow），英国物理学会特聘物理学家（Chartered Physicist）和英国工程技术学会会士（Fellow）。

初大平教授的主要研究领域包括高亮度多稳态反射彩色显示器件、应用于投影、照明和电信的全息空间光调制器、夹层电活性金属箔和灵活/可印刷电子技术，在相关领域取得了卓越的成就，在国际学术界享有很高的学术地位。

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