全息术被认为目前最有价值的三维成像技术之一。近些年来，微纳加工技术蓬勃发展，同时伴随着超构表面相位调控理论的不断发展，超构表面凭借其优良的电磁调控能力以及易于制造的特性，在全息编码的过程中展现了显著的优势，因此超构表面全息的相关研究成为热点。同时全息原理已成为设计等离子体超构表面的可行方法，用于激发自由空间光束或产生具有所需场分布的表面波。与此同时，随着静态全息技术的日趋成熟，动态全息显示技术也越来越受到研究者的关注，实现全息的动态加载和实时调控成为重要研究方向。超构表面在编码静态全息方面表现出了大容量、高分辨率等优势。然而，一旦超构表面被加工制造，其结构大多都被彻底固定，基于超构表面的动态全息往往存在着低帧率以及低刷新率的问题。本文基于超构表面开展了动态全息显示的相关研究，研究内容主要包括：

1. 以空间通道复用超构表面的动态全息为突破点，有限数量（记作N）的空间通道能够产生以指数叠加的2^N全息帧，可以大大拓展传统超构表面全息的动态能力。本文改进了传统空间通道复用超构表面全息器件的动态像元设计方案，提出将8个动态像元编组再将构建的超级像元周期性排列的设计方案。这种设计方案扩展了超构表面动态全息器件的显示范围，而且可按需选取超级像元的数量，以适应更复杂的显示场景。
2. 提出了由复合相位编码的偏振相关的空间通道复用的超构表面全息，再度提高超构表面空间信道容量和能量利用率。超构表面动态全息器件的各个空间通道对入射光的偏振态有不同响应，每个空间通道对应的动态像元存在3个不同的显示状态，对于包含N个空间通道的空间通道复用超构表面，加入偏振复用，使得其全息帧数由2^N大幅度地提升至3^N。这种设计不仅进一步拓展动态全息的显示范围，而且增加了全息显示的私密性，使得这种设计也适用于光学信息加密领域。

第1章 绪论 ....................................................................................................................... 1

1.1 引言 ........................................................................................................................... 1

1.2 超构表面概述...........................................................................................................  1

1.3 全息技术的发展 .................................................................................................... 2

1.3.1 传统全息 ............................................................................................................. 2

1.3.2 数字全息 ............................................................................................................. 3

1.3.3 计算全息 ............................................................................................................. 4

1.4 超构表面动态全息研究进展 .............................................................................. 4

1.4.1 动态超构表面 .................................................................................................... 4

1.4.2 静态复用超构表面 ............................................................................................ 9

1.5 本领域存在的关键科学问题及研究思路 ...................................................... 15

1.6 本论文的主要内容及章节安排 ....................................................................... 16

第2章 超构表面全息的基本理论 ............................................................................ 19

2.1 计算全息设计方法 ....................................​​​​​​​.......................................................... 19

2.1.1 计算全息设计思路 ....................................​​​​​​​..................................................... 19

2.1.2 点源法 ....................................​​​​​​​............................................................................ 20

2.1.3 Gerchberg-Saxton算法 ....................................​​​​​​​............................................ 21

2.2 超构表面相位调控原理 ....................................​​​​​​​................................................. 23

2.2.1 广义折反射原理 ....................................​​​​​​​........................................................... 23

2.2.2 几何相位调控原理 ....................................​​​​​​​..................................................... 26

2.2.3 传输相位调控原理 ....................................​​​​​​​..................................................... 27

2.3 超构表面数值仿真计算方法 ....................................​​​​​​​........................................ 28

2.4 本章小结 ....................................​​​​​​​............................................................................ 29

第3章 空间通道复用几何超构表面动态全息 ..........................................​​​​​​​............ 31

3.1 引言 ....................................​​​​​​​..................................................................................... 31

3.2 空间通道复用方案 ....................................​​​​​​​.......................................................... 31

3.3 动态像元（子图）设计理念 ....................................​​​​​​​........................................ 32

3.4 单元结构设计优化 ....................................​​​​​​​.......................................................... 36

3.5 基于空间通道复用几何超构表面全息的仿真 ............................................. 38

3.6 本章小结 ................................................................................................................ 41

第4章 基于空间通道复用且偏振相关的动态全息设计 .................................... 43

4.1 引言 ......................................................................................................................... 43

4.2 偏振相关的空间通道复用的动态全息设计方案 ........................................ 43

4.3 动态像元设计 .....................................................................................................  45

4.4 单元结构设计 ....................................................................................................... 47

4.4.1 单元结构几何参数优化 ................................................................................ 47

4.4.2 单元结构验证工作 ......................................................................................... 50

4.5 偏振相关的空间复用超构表面全息器件仿真 ............................................. 52

4.5.1 理论分析 ........................................................................................................... 52

4.5.2 仿真实验 ........................................................................................................... 56

4.5.3 实验光路设计 .................................................................................................. 58

4.6 本章小结 ................................................................................................................ 59

第5章 总结与展望 ....................................................................................................... 61

5.1 主要研究成果 ....................................................................................................... 61

5.2 未来工作展望 ....................................................................................................... 62

参考文献 ......................................................................................................................... 63

致　谢 ............................................................................................................................. 71

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 .................................... 73