南京大学物理学院梁彬和程建春课题组实现高容量加密声全息

南京大学物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心梁彬和程建春课题组在声全息操控方面取得重要进展，通过开辟轨道角动量作为声学全息的额外编码自由度并结合频率复用构建双重解码密钥，首次在声学体系中实现轨道角动量和频率多维度复用的高容量加密声全息。

声全息是一种能够记录并重构任意复杂三维声场的新兴技术，在超声诊疗、微粒操控以及触觉模拟等前沿领域具有重要的应用价值。声全息技术的传统实现方法通常依赖于由大量独立驱动的换能器单元构成的有源相控阵来对空间声场进行按需重构，存在系统复杂、成本高昂、空间带宽积与成像分辨率受限等问题。与之相比，具有反常声学特性的声学超表面能够以远低于相控阵的成本与复杂度实现对声场空间形态的高自由度调控。然而现有机制通常仅能生成单一固定的全息图案，信道容量与灵活性不足，且超表面携带的全息声场信息极易被简单入射波复现，安全性较低。将不同全息图案分配到不同频率上的频率复用等方法虽然可以一定程度上提升声全息的信道容量，但依旧受到工作带宽有限与频率串扰严重等问题的制约。

针对上述问题，课题组提出一种基于多维复用声学超表面的高容量加密声全息机制（图1）。根据理论推导的传递函数来设计超表面的声学响应，可以同时赋予其角动量模式选择性和频率选择性，并与目标全息声场建立直接的映射关系（图2）。一方面，轨道角动量的引入为声全息提供了额外的编码维度，通过将不同的全息图案分别加载在不同频率、不同阶数的轨道角动量模式上，可以在同一超表面上并行存储和重构多幅声全息图像，从而显著提升全息声场的信息容量；另一方面，轨道角动量和频率的正交性不仅保证了不同通道间的信息可以互不干扰地传输，还给全息声场赋予了特定的加密性质：只有当入射声波携带有特定组合的轨道角动量与频率时，对应的全息图案才能被正确重构，从而实现了轨道角动量-频率“双密钥”驱动的高容量、高保真声全息。此外，课题组还展示了该机制对声波衍射、介质非均匀等实际场景中一些典型影响因素的高鲁棒性。

图1：轨道角动量和频率多维复用的高容量加密声全息的原理示意图

图2: (a) 对目标图像进行空间采样；(b) 计算具有轨道角动量与频率选择性的声全息图的流程示意图；(c) 目标图像（上）与重构的全息图像（下）。

为了实现上述多维复用的声全息机制，课题组设计了一种能够独立调控声波全部自由度（幅度、相位、频率及轨道角动量）的超材料像素单元，可以在亚波长的空间尺度下完成对多幅图像的高容量并行编码与存储（图3）。基于此，课题组构建了由“双轨道角动量模式 × 双频率模式”组成的四通道声全息系统，并通过实验成功重构了四幅互不相同的图案。无论这些图案在空间上是彼此分离还是互相重叠，系统均可实现高质量、强保密性的声场重建，充分验证了该机制在提升声全息信道容量和信息安全性等方面的优势（图4）。此外，课题组还进一步展示了基于这种多维复用声全息机制实现的灵活性粒子组装效果，显示了其在三维声波打印、非接触式微粒操控等领域的实际应用潜力。

图3：(a) 超材料像素单元三维示意图；(b) 超材料像素单元中子单元的二维截面图；(c)不同子单元透射系数的频率响应；(d) 超材料像素单元在对应频率声波入射时的内部声场。

图4: (a) 声全息超表面透射幅度与相位分布；(b) 超表面样品；(c) 实验系统图；(d)二维全息图像与一维声强分布曲线的实验和仿真结果对比。

相关研究成果以“Orbital angular momentum- and frequency-dependent high-capacity encrypted hologram through multi-dimensional multiplexing acoustic metasurface”为题发表于Nature Communications上[DOI: 10.1038/s41467-025-66793-7]。南京大学物理学院为唯一单位，博士研究生周永强、李凡为论文的共同第一作者，刘京京助理教授、梁彬教授及程建春教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省物理科学研究中心、南京大学“789科技攻关计划”项目、中国科协青年人才托举工程等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66793-7