全息技术可以对物体的相位和振幅信息进行重构。在光学领域，该技术广泛应用于显微、光镊、量子信息等方向。全息技术可以重建的信息越多，其重构图像与真实物体相比就越真实。因此，各种各样的全息技术不断被提出，三维全息技术的研究吸引了很多科研工作者，特别是在全息三维显示,因为可以用肉眼从不同角度直接观察，与人类看到周围实际环境的方式非常相似。

但是，上述全息所用到的材料对波长很敏感，因此在全光波段实现全息技术是迫切需要的。一种方法是研制满足不同波段要求的全息材料。但是，这种方法需要随着激光波长的变化对全息材料的结构进行重新设计，而且一旦确定了全息材料，就很难扩展全息实现的波长范围。另一种方法是通过非线性频率转换扩展波长范围。近年来，非线性全息被引入到非线性光学中，到目前为止，在各种非线性全息过程中，只产生和操纵非线性谐波的二维信息。因此，真正的三维全息还没有在非线性光学过程中开展研究。

本文我们报道了具有高非线性转换效率和动态特性的三维非线性光学全息图。为了验证该方法的可行性，我们首先在四个成像平面上对两圈空心螺旋图形进行了重构。字母“X”、“Y”和“Z”(图2)或者图片“鸟”和“兔子”可以在空间的不同深度上进行重构，得到对应的二次谐波图像。我们对二次谐波重构图像的质量进行了分析，验证了其重构能力。最后，我们实现了多平面的动态二次谐波图像。此外，我们还计算了归一化非线性转换效率。

我们在文中展望，利用和频或者差频等不同的非线性频率转换过程，在理论上可以生成任意波段的三维光学全息图，从而在不重新设计全息材料结构的情况下，有效地扩展了三维光学全息图的波长范围。此外，该方法的动态特性可以显著提高非线性三维全息图用于不同区域的灵活性。本研究开拓了三维空间非线性的研究领域，可应用于全光波带三维光学成像，并行微加工、全息显示等。

图1：实现三维非线性全息原理图

图2：(a) - (c)表示字母X、Y和Z的二次谐波图像。(d) - (f)表示实验上，在各自像平面上重建的二次谐波图像

该成果发表在“Yujia Wu, Haigang Liu, and Xianfeng Chen. Three-dimensional nonlinear optical holograms. Physical Review A 102, 063505 (2020)”

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.102.063505