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。
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。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，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。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。
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。
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。
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。
