南京大學(xué)彭茹雯教授、王牧教授研究組聯(lián)合美國東北大學(xué)劉詠民教授研究組，創(chuàng)新性地引入光學(xué)響應(yīng)噪聲調(diào)控，成功突破光學(xué)超構(gòu)表面偏振復(fù)用極限，為發(fā)展高容量光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲提供了新范式。

偏振是光的基本性質(zhì)，在信號傳輸、傳感探測等方面起著重要的作用，被廣泛應(yīng)用于光子學(xué)和信息技術(shù)的多個領(lǐng)域。比如光的偏振可應(yīng)用于大容量的復(fù)用技術(shù)，將信息通過多個獨立通道傳遞到預(yù)定目標。隨著光學(xué)器件的小型化，人們發(fā)現(xiàn)在諸如光學(xué)超構(gòu)表面的二維平面系統(tǒng)中，二階瓊斯矩陣能夠完整刻畫偏振光與其相互作用，從而該體系最多只有3個獨立偏振通道，造成偏振復(fù)用存在內(nèi)稟極限。近年來盡管基于機器學(xué)習(xí)和迭代優(yōu)化等逆向設(shè)計方案很好地優(yōu)化了偏振復(fù)用技術(shù)，但是，3個獨立偏振通道的物理極限始終存在。打破該物理上限對于發(fā)展高容量的光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等應(yīng)用至關(guān)重要。

最近，南京大學(xué)彭茹雯和王牧研究組與美國東北大學(xué)劉詠民研究組合作，創(chuàng)新性地在超構(gòu)表面系統(tǒng)中，引入光學(xué)響應(yīng)關(guān)聯(lián)噪聲來產(chǎn)生新的偏振通道，引入非關(guān)聯(lián)噪聲來減弱或消除信號串擾，從而突破超構(gòu)表面偏振復(fù)用的物理極限，理論演繹并實驗證實利用單一超構(gòu)表面成功獲得高達11個獨立偏振通道，該超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見光照射下可觀測到11種獨立的全息圖像。該研究結(jié)果為目前光學(xué)超構(gòu)表面偏振復(fù)用的最高獨立通道數(shù)，并且通過改變閾值條件，該物理上限還可以進一步提升?；谠摾碚摬呗?，研究團隊又進一步證實這種新型的偏振復(fù)用技術(shù)能夠與其它復(fù)用技術(shù)（比如空間復(fù)用，角動量復(fù)用等）相融合。

作為示例，研究團隊將偏振復(fù)用與空間位置復(fù)用結(jié)合，利用單一超構(gòu)表面（大小僅為0.33mm × 0.33mm）在可見光波段產(chǎn)生出36重獨立的全息圖像，形成光學(xué)全息鍵盤圖案。該研究為發(fā)展亞波長尺度下高容量光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲提供新思路，在光通信和互聯(lián)、光計算、光傳感與探測、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在該工作中，研究團隊首先發(fā)展出引入光學(xué)響應(yīng)噪聲調(diào)控來打破偏振復(fù)用容量極限的理論方案。如圖1所示，通過設(shè)計含有多個共振單元的二維納米結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)瓊斯矩陣的對角元和非對角元都可以被獨立調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計中的3個獨立偏振通道。

如果期望實現(xiàn)M個偏振通道的復(fù)用，數(shù)學(xué)上三個瓊斯矩陣元需要滿足圖1A中的線性方程組(圖中以M=4為例)。但是在M>3的情況下，這一超定方程組不存在多于3個的獨立解，因此，研究團隊針對偏振復(fù)用方程組求解出最小二乘近似解（而非精確解），即有意引入光學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)噪聲來產(chǎn)生新的偏振通道，比如新出現(xiàn)的第四個偏振通道展示不同圖像（如圖1B所示）。

然而，關(guān)聯(lián)噪聲的引入雖然能產(chǎn)生新的偏振通道，但是不同通道之間存在一定的串擾。為了消除這種串擾，保證信道的獨立性，研究團隊進一步引入強度可調(diào)的非關(guān)聯(lián)噪聲，減弱甚至消除信號串擾（如圖1C所示），并最終實現(xiàn)多通道偏振復(fù)用超構(gòu)表面（如圖1D所示）。

圖1.偏振復(fù)用超構(gòu)表面的設(shè)計新原理示意圖

為了驗證上述偏振復(fù)用設(shè)計新原理，研究團隊以五階偏振復(fù)用超構(gòu)表面作為示例。首先引入光學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機噪聲（圖2A, B），通過逆向設(shè)計遺傳算法獲得超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用電子束刻蝕等技術(shù)制備得到光學(xué)超構(gòu)表面樣品（圖2C）。

當改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，在對應(yīng)的5個線偏振通道上，同一超構(gòu)表面產(chǎn)生五種獨立的全息圖形（“N”、“J”、“&”、“E”和“U”，如圖2D-F）。關(guān)聯(lián)系數(shù)和能量分布的定量分析表明，實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果與預(yù)期結(jié)果展示很好的一致性（圖2G-J）。至此，通過引入光學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機噪聲，研究團隊成功地利用單一超構(gòu)表面實現(xiàn)了超過3個獨立偏振通道，突破了二維平面體系偏振復(fù)用的容量極限。



圖2.五通道偏振復(fù)用超構(gòu)表面的設(shè)計和實驗實現(xiàn)（圖2C中，從左到右標尺大小依次為40微米、40微米、0.5微米、250納米。）

基于該新設(shè)計原理，研究團隊進一步探索偏振復(fù)用容量的新極限。首先由理論計算獲得光學(xué)超構(gòu)表面偏振復(fù)用的相圖（圖3A）；然后根據(jù)該相圖，得到偏振復(fù)用的新容量上限為11個獨立通道。通過改變閾值條件，該上限還可以進一步提升。研究團隊通過實驗樣品制備和光學(xué)測量證實，單一超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見光照射下可以獲得11種獨立的全息圖像（圖3B-D）。



圖3.偏振復(fù)用容量的新極限的理論結(jié)果和實驗驗證（圖3B中標尺大小為50微米，圖3C中為400納米。）

值得提到的是，該種新原理偏振復(fù)用能夠兼容其他多種復(fù)用技術(shù)（如空間復(fù)用，角動量復(fù)用等），進一步提升信息傳輸和存儲的容量。作為示例，研究團隊將偏振復(fù)用與空間位置復(fù)用結(jié)合，理論設(shè)計了具有9重線偏振通道的超構(gòu)表面，同時每個偏振通道中都會在不同空間位置處產(chǎn)生4幅獨立的全息圖像；實驗上最終利用單一超構(gòu)表面(大小僅為0.33mm × 0.33mm)在可見光波段產(chǎn)生出36重獨立的全息圖像，構(gòu)建出光學(xué)全息鍵盤圖案（圖4）。



圖4 光學(xué)全息鍵盤圖案的實驗實現(xiàn)（圖4A中標尺大小為50微米，圖4B中為400納米。）

眾所周知，噪聲在科學(xué)和工程領(lǐng)域通常是有害無益卻又不可避免的。但是，該項工作通過創(chuàng)新性地人為引入光學(xué)響應(yīng)噪聲調(diào)控，成功突破了光學(xué)超構(gòu)表面偏振復(fù)用極限，為發(fā)展高容量光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等提供了新的范式，結(jié)合其它復(fù)用技術(shù)（比如空間復(fù)用、角動量復(fù)用、波長復(fù)用等）可以進一步提高多功能復(fù)用容量，可望應(yīng)用于光通信和互聯(lián)、光計算、光傳感與探測、AR/VR技術(shù)等眾多領(lǐng)域。






審核編輯：劉清