全息技术能够记录和重建光波的振幅和相位信息，是实现三维场景再现最有潜力的技术之一。在光学领域，该技术广泛应用于三维显示、光束整形、显微、光镊等方向。计算全息是指由计算机代替全息记录过程，避免了复杂的光学系统，同时也可以计算得到虚拟物体的全息图，这极大地扩展了其应用范围。当前计算全息图的加工主要依靠标准的纳米加工工艺包括电子束光刻、紫外光刻等。然而这些方法通常操作复杂、耗时而且昂贵，不适宜大面积加工，同时实验条件需要严格可控，比较苛刻。因此研究者们探究利用飞秒激光直写系统加工计算全息图，但是之前的实验研究多用该方法实现二维计算全息成像，而在三维成像方面却少有探究，这限制了它的应用。

在本文中，我们提出了通过飞秒激光直写系统在玻璃内部加工计算全息图实现了三维全息成像，同时这种方式充分利用了飞秒激光三维加工的能力，将全息图加工在玻璃内部，有效地避免了外部机械损伤。首先，我们以学校名称缩写字母“SJTU”构建多平面图像，并作为我们的三维模型，然后根据菲涅尔衍射计算每层图像到达全息面的复振幅分布并进行叠加，对于总的复振幅分布利用计算全息干涉图的计算方法进行编码得到适宜于飞秒激光加工的二值全息图，计算过程如图1所示，飞秒激光直写的全息图光学显微图像如图2所示。之后我们搭建了光路对全息图进行了光学再现，如图3所示：不同的字母在其对应的再现平面实现了清晰的重建，同时对于不同字母重构图像的质量和数值模拟结果进行了对比分析，验证了该全息成像的三维重建能力。

图1 字母“SJTU”组成的三维图像生成计算全息图

图2 基于飞秒激光直写全息图的光学显微图像

图3 计算全息图的光学重建

上述方法适合于各种透明材料的加工以应用于不同的领域例如非线性等，同时这项研究未来可应用于三维显示、光束整形、衍射光学元件加工等领域。

该成果发表在“Honghuan Tu, Tingge Yuan, Zhiwei Wei, Yuping Chen and Xianfeng Chen. Fabrication of 3D computer-generated hologram inside glass by femtosecond laser direct writing, Optical Materials, 135, 113228 (2023)”。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113228