南京大學(xué)物理學(xué)院彭茹雯教授、王牧教授研究組聯(lián)合美國(guó)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)用的容量極限，為發(fā)展高容量光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供新范式。他們的研究論文“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise” 近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science》上。

偏振是光的基本性質(zhì)，在信號(hào)傳輸、傳感探測(cè)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(gè)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(guò)多個(gè)獨(dú)立通道傳遞到預(yù)定目標(biāo)。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(huà)偏振光與其相互作用，從而該體系最多只有3個(gè)獨(dú)立偏振通道，造成偏振復(fù)用存在內(nèi)稟的容量極限。近年來(lái)盡管基于機(jī)器學(xué)習(xí)和迭代優(yōu)化等逆向設(shè)計(jì)方案很好地優(yōu)化了偏振復(fù)用技術(shù)，但是，3個(gè)獨(dú)立偏振通道的容量極限始終存在。打破該物理上限對(duì)于發(fā)展高容量的光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guó)東北大學(xué)劉詠民研究組聯(lián)合，創(chuàng)新性地將精心設(shè)計(jì)的光學(xué)響應(yīng)噪聲引入瓊斯矩陣方案中，突破超構(gòu)表面偏振復(fù)用容量的物理極限，理論演繹并實(shí)驗(yàn)證實(shí)利用單一超構(gòu)表面成功獲得高達(dá)11個(gè)獨(dú)立偏振通道，該超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見(jiàn)光照射下可觀測(cè)到11種獨(dú)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)用的最高容量。基于該理論策略，研究團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步證實(shí)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(dòng)量復(fù)用等）相融合，并實(shí)驗(yàn)展示單一超構(gòu)表面（樣品大小僅 0.33mm × 0.33mm）能夠產(chǎn)生36種獨(dú)立的全息圖像，形成包含26個(gè)英文字母和10個(gè)數(shù)字的全息鍵盤(pán)圖案。該研究為發(fā)展亞波長(zhǎng)尺度下高容量光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供新思路，在光通信和互聯(lián)、光計(jì)算、光傳感與探測(cè)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（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(tuán)隊(duì)首先發(fā)展出引入光學(xué)響應(yīng)噪聲調(diào)控來(lái)打破偏振復(fù)用容量極限的理論方案。如圖1所示，通過(guò)設(shè)計(jì)含有多個(gè)共振單元的二維納米結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)瓊斯矩陣的對(duì)角元和非對(duì)角元都可以被獨(dú)立調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的3個(gè)獨(dú)立偏振通道。如果期望實(shí)現(xiàn)M個(gè)偏振通道的復(fù)用，數(shù)學(xué)上三個(gè)瓊斯矩陣元需要滿(mǎn)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(gè)的獨(dú)立解，因此，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(lái)產(chǎn)生新的偏振通道，比如新出現(xiàn)的第四個(gè)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?dāng)_。為了消除這種串?dāng)_，保證信道的獨(dú)立性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入強(qiáng)度可調(diào)的非關(guān)聯(lián)噪聲，減弱甚至消除信號(hào)串?dāng)_（如圖1C所示），并最終實(shí)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(jì)新原理示意圖

為了驗(yàn)證上述偏振復(fù)用設(shè)計(jì)新原理，研究團(tuán)隊(duì)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(jī)噪聲（圖2A， B），通過(guò)逆向設(shè)計(jì)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(dāng)改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，在對(duì)應(yīng)的5個(gè)線偏振通道上，同一超構(gòu)表面產(chǎn)生五種獨(dú)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)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(guò)引入光學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機(jī)噪聲，研究團(tuán)隊(duì)成功地利用單一超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了超過(guò)3個(gè)獨(dú)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(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。（圖2C中，從左到右標(biāo)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(jì)原理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索偏振復(fù)用容量的新極限。首先由理論計(jì)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(gè)獨(dú)立通道。通過(guò)改變閾值條件，該上限還可以進(jìn)一步提升。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣品制備和光學(xué)測(cè)量證實(shí)，單一超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見(jiàn)光照射下可以獲得11種獨(dú)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（圖3B中標(biāo)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(dòng)量復(fù)用等），進(jìn)一步提升信息傳輸和存儲(chǔ)的容量。作為示例，研究團(tuán)隊(duì)將偏振復(fù)用與空間位置復(fù)用結(jié)合，理論設(shè)計(jì)了具有9重線偏振通道的超構(gòu)表面，同時(shí)每個(gè)偏振通道中都會(huì)在不同空間位置處產(chǎn)生4幅獨(dú)立的全息圖像；實(shí)驗(yàn)上最終利用單一超構(gòu)表面（大小僅為0.33mm × 0.33mm）在可見(jiàn)光波段產(chǎn)生出36重獨(dú)立的全息圖像，構(gòu)建出光學(xué)全息鍵盤(pán)圖案（圖4）。

圖4.光學(xué)全息鍵盤(pán)圖案的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。（圖4A中標(biāo)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(wú)益卻又不可避免的。但是，該項(xiàng)工作通過(guò)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)用的容量極限，為發(fā)展高容量光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)量復(fù)用、波長(zhǎng)復(fù)用等）可以進(jìn)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(jì)算、光傳感與探測(cè)、AR/VR技術(shù)等眾多領(lǐng)域。

此項(xiàng)工作由南京大學(xué)和美國(guó)東北大學(xué)合作完成，南京大學(xué)為第一單位。南京大學(xué)熊波博士、博士生劉雨和美國(guó)東北大學(xué)博士生徐亦豪為論文的第一作者；南京大學(xué)彭茹雯教授、王牧教授和美國(guó)東北大學(xué)劉詠民教授為論文的通訊作者；該工作的合作者還包括美國(guó)東北大學(xué)博士生鄧林和南京大學(xué)賴(lài)耘教授、王嘉楠博士和碩士生陳超為。該項(xiàng)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委等資助，同時(shí)也得到南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。

審核編輯 ：李倩