4月8號南京大學(南京大學秒懂百科)

基于這一理論策略，研究團隊進一步證實了這種新型偏振復用技術可以與其他復用技術（如空間復用、角動量復用等）集成，并通過實驗演示了單一超結構表面（樣本大小為僅0.33mm0.33mm）可產(chǎn)生36個獨立的全息圖像，形成包含26個英文字母和10個數(shù)字的全息鍵盤圖案。研究為發(fā)展亞波長尺度下高容量光學顯示、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）技術等領域具有廣闊的應用前景。

在這項工作中，研究團隊首先提出了一種引入光響應噪聲調節(jié)的理論解決方案，以打破偏振復用容量的限制。如圖1所示，通過設計包含多個諧振單元的二維納米結構，可以獨立控制瓊斯矩陣對應的對角線元素和非對角線元素，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)設計中的三個獨立的偏振通道。如果希望實現(xiàn)M個偏振通道的復用，數(shù)學上三個瓊斯矩陣元素需要滿足圖1A中的線性方程組（圖中以M=4為例）。然而，在M3的情況下，這個超定方程組不具有超過三個獨立解。因此，研究團隊求解了偏振復用方程組的最小二乘近似解（而不是精確解），即有意引入光響應的相關噪聲，從而產(chǎn)生新的偏振通道，例如出現(xiàn)了新的第四個偏振通道。偏振通道顯示不同的圖像（如圖1B所示）。

然而，雖然相關噪聲的引入可以產(chǎn)生新的偏振信道，但不同信道之間存在一定程度的串擾。為了消除這種串擾，保證通道獨立性，研究團隊進一步引入強度可調的不相關噪聲來削弱甚至消除信號串擾（如圖1C所示），最終實現(xiàn)了多通道偏振復用超表面（如圖1C所示）。圖1D）。

圖1偏振復用超表面新設計原理示意圖。

為了驗證上述偏振復用設計的新原理，研究團隊以五階偏振復用超表面為例。首先引入光學響應的相關噪聲和隨機噪聲（圖2A、B），通過逆向設計遺傳算法獲得超表面的結構參數(shù)，并利用電子束刻蝕等技術制備光學超表面樣品（圖2C）。當入射光的偏振態(tài)改變時，同一個超表面在對應的五個線偏振通道上產(chǎn)生五個獨立的全息圖案（‘N’、‘J’、‘’、‘E’和‘U’，如圖2D-F）。相關系數(shù)和能量分布的定量分析表明，實驗結果和模擬計算結果與預期結果具有良好的一致性（圖2G-J）。

到目前為止，通過引入光學響應的相關噪聲和隨機噪聲，研究團隊已經(jīng)成功利用單一元結構實現(xiàn)了3個以上獨立的偏振通道，突破了二維平面體系偏振復用的容量極限。

圖2.五通道偏振復用超表面的設計和實驗實現(xiàn)。

（在圖2C中，刻度尺寸從左到右分別為40微米、40微米、0.5微米和250納米。）

基于這一新的設計原理，研究團隊進一步探索了偏振復用容量的新極限。首先，通過理論計算得到光學元結構表面偏振復用的相圖（圖3A）；然后根據(jù)該相圖，得出偏振復用的新容量限制為11個獨立通道。通過改變閾值條件可以進一步提高該上限。研究團隊通過實驗樣品制備和光學測量證實，單個超表面在不同偏振的單色可見光照射下可以獲得11個獨立的全息圖像（圖3B-D）。

圖3.偏振復用容量新極限的理論結果和實驗驗證。

（圖3B中的比例尺尺寸為50微米，圖3C中的比例尺尺寸為400納米。）

值得一提的是，這種偏振復用的新原理與多種其他復用技術（如空間復用、角動量復用等）兼容，進一步增加了信息傳輸和存儲的容量。例如，研究團隊將偏振復用與空間位置復用相結合，理論上設計了具有9個線性偏振通道的超表面。同時，每個偏振通道會在不同的空間位置產(chǎn)生4個獨立的全息圖像；實驗中，最終利用單個元結構表面（尺寸僅為0.33mm0.33mm）在可見光波段生成36個獨立的全息圖像，構建光學全息鍵盤圖案（圖4）。

圖4.光學全息鍵盤圖案的實驗實現(xiàn)。

（圖4A中的比例尺尺寸為50微米，圖4B中的比例尺尺寸為400納米。）

眾所周知，噪聲在科學和工程領域通常是有害的，但卻是不可避免的。然而，該工作通過創(chuàng)新性地人為引入光響應噪聲控制，成功突破了光學元結構表面偏振復用的容量限制，為大容量光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等領域的發(fā)展提供了新的范式。與其他復用技術（如空間復用、角動量復用、波長復用等）可進一步提高多功能復用能力，有望應用于光通信與互連、光計算、光傳感與檢測、AR/VR技術等諸多領域。

本工作由南京大學與東北大學合作完成，南京大學為第一單位。南京大學熊波博士、博士生劉雨和美國東北大學博士生徐亦豪為論文的第一作者；南京大學彭茹雯教授、王牧教授和美國東北大學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東北大學博士生鄧林和南京大學賴耘教授、王嘉楠博士和碩士生陳超為。該項研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委等資助，同時也得到南京大學物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。