Science：南大彭茹雯、王牧和美国东北大学刘咏民合作团队突破光学超构表面

唐德海

导读
近日，南京大学物理学院彭茹雯教授、王牧教授研究组联合美国东北大学刘咏民教授研究组，创新性地引入光学响应噪声调控，成功突破光学超构表面偏振复用的容量极限，为发展高容量光学显示、信息加密、数据存储提供新范式。他们的研究论文"Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise" 近日发表于国际学术期刊《Science》（参见Science 379, 294-299 (2023)；论文链接：doi/10.1126/science.a‍de5140 。

偏振是光的基本性质 ， 在信号传输、传感探测等方面起着重要的作用，被 广泛 应用于光子学和信息技术的多个领域 。 比如光的偏振可应用于大容量的复用技术，将信息通过 多个 独立通道传递到预定目标。 随着光学器件的小型化， 人们发现 在诸如光学超构表面的二维平面系统中， 二阶琼斯矩阵 能 够 完整 刻画 偏振 光 与其相互作用， 从而 该体系 最多只有 3 个 独立偏振通道 ，造成偏振 复用存在内 禀 的容量 极限。 近年来尽管 基于机器学习和迭代优化等逆向设计 方案很好 地优化了 偏振复用技术， 但是 ， 3 个 独立偏振通道的 容量 极限始终 存在。 打破 该 物理 上限 对于 发展 高容量 的 光学显示 、信息加密、 数据存储 等应用 至关重要 。下载安装化学加APP，第一时间看到更多精彩。
最近， 南京大学彭茹雯和王牧研究组 与 美国东北大学刘咏民研究组 联合 ，创新性地 将 精心设计的 光学响应 噪声引入琼斯矩阵 方案中 ， 突破 超 构 表面 偏振复用 容量的物理 极限 ，理论演绎 并 实验证实 利用单一超构表面成功获得高达 1 1 个独立偏振通道，该超构表面在不同偏振的单色可见光照射下 可 观测到 1 1 种 独立的全息 图 像。该研究结果为目前 光学超构表面偏振复用的最高容量。基于该理论策略，研究团队又进一步证实这种新型的偏振复用技术能够与其它复用技术（比如空间复用，角动量复用等）相融合，并 实验展示 单一超构表面（样品大 小 仅 0 . 3 3 mm × 0 . 3 3 mm ） 能够 产生 3 6 种独立的全息图像，形成包含 2 6 个英文字母和 1 0 个数字的 全息键盘图案。 该 研究 为发展 亚波长尺度下 高容量光学显示、信息加密、数据存储提供新 思路 ，在光通信 和互联 、 光计算、 光传感与 探测 、增强现实和虚拟现实（ AR / VR ）技术等领域 具有广阔的应用前景 。
在 该 工作中，研究团队 首先发展出 引入 光学响应 噪声调控来 打破 偏振复用 容量极限的理论方案 。 如图 1 所示，通过设计含有多个共振单元的 二维 纳米 结构， 其对应 琼斯矩阵的对角元和非对角元都可以被独立调控，能够实现传统设计中的 3 个独立 偏振通道。 如果 期望 实现 M 个 偏振通道的复用， 数学上 三个琼斯 矩阵元需 要满足图 1 A 中的线性方程组 ( 图中以 M= 4 为例 ) 。 但是 在 M >3 的情况下，这一超定方程组 不存在 多于 3 个 的 独立解 ，因此， 研究 团队针对偏振复用方程 组 求解 出 最小二乘 近似 解 （ 而非精确解 ），即 有 意引入 光学响应 的关联噪声 来 产生 新的偏振通道， 比如 新 出现的 第四个偏振通道 展示不同 图像（如图 1 B 所示）。然而，关联噪声的引入 虽然能产生新的偏振通道，但是 不同通道 之间 存在一定的串扰。为了消除这种串扰，保证信道的独立性， 研究 团队进一步引入强度 可调 的 非关联 噪声 ， 减弱 甚至 消除信号串扰 （如图 1 C 所示），并最终实现 多通道偏振复用超构表面 （如图 1 D 所示）。

图 1 . 偏振复用超构表面的设计新原理示意图。
为了验证 上述 偏振复用设计新原理 ， 研究 团队以 五 阶偏振复用超构表面作为示例。 首先引入光学响应的关联噪声和随机噪声（ 图 2 A, B ）， 通过 逆向设计遗传算法 获得 超构表面 的结构参数， 利用电子束 刻蚀 等技术 制备得到 光学超构表面 样品 （ 图 2 C ） 。当改变入射光的偏振态，在对应的 5 个线偏振通道上，同一超构表面产生五种独立的全息图形（ " N " 、 " J " 、 " & " 、 " E " 和 " U " ，如图 2 D-F ）。 关联系数和能量分布的定量分析表明，实验结果和模拟计算结果与预期结果展示很好的一致性（图 2G-J ）。 至此， 通过引入 光学响应的 关联噪声和随机噪声，研究团队成功地 利用单一超构表面实现了超过 3 个独立 偏振 通道 ， 突破了 二维平面体系 偏振复用的容量 极限 。

图 2. 五通道偏振复用超构表面的设计和实验实现。
（图 2C 中， 从左 到右标尺大小依次为 4 0 微米、 4 0 微米、 0 .5 微米、 2 50 纳米。）
基于该 新设计 原理 ， 研究团队 进一步 探索 偏振复用 容量 的 新 极限 。 首先由理论计算获得光学超构表面偏振复用的相图（图 3 A ）； 然后 根据 该 相图 ， 得 到 偏振复用 的新 容量上限 为 11 个独立 通道 。 通过 改变 阈值 条件，该上限还可 以 进一步提 升 。 研究团队通过 实验 样品 制备和 光学测量 证实，单一超构表面在不同偏振的单色可见光照射下可 以 获得 1 1 种独立的全息图像 （图 3 B-D ）。

图 3 . 偏振复用 容量的新极限的理论结果和实验验证。
（图 3B 中标尺大小为 50 微米，图 3C 中为 400 纳米 。）
值得提 到 的是，该 种新原理 偏振复用能够 兼容 其他 多种复用技术 （如 空间复用，角动量复用等 ） ， 进一步 提升信息 传输和 存储的容量。 作为示例 ，研究团队 将偏振复用与空间位置复用结合，理论 设计 了具有 9 重线偏振通道 的超构表面， 同时每个偏振通道中都会在不同空间位置处产生 4 幅独立的全息图像 ；实验上最终利用 单 一超构表面 ( 大小仅 为 0 . 3 3 mm × 0 . 3 3 mm ) 在可见光 波段 产生出36重独立的全息图像，构建出光学全息键盘图案（图4）。

图 4 . 光学 全息键盘 图案 的实验实现 。
（图 4 A 中标尺大小为 50 微米，图 4 B 中为 400 纳 米。）
众所周知，噪声在科学和工程领域通常是有害无益却又不可避免的 。 但是，该项工作通过创新性地 人为 引入光学响应噪声调控，成功 突破 了 光学超构表面偏振复用 的 容量极限，为发展高容量光学显示、信息加密、数据存储 等 提供 了 新 的 范式， 结合其 它 复用技术（比如空间复用 、 角动量复用 、波长复用 等）可以进一步提高多功能复用容量， 可望应用于 光通信和互联、光计算、光传感与探测、 AR / VR 技术等众多领域。
此项工作由 南京大学和美国东北大学合作 完成 ，南京大学为第一单位 。南京大学熊波博士、博士生刘雨 和 美国东北大学博士生徐亦豪 为论文的第一作者 ；南京大学 彭茹雯 教授 、王牧教授 和 美国东北大学 刘咏民 教授为论文的通讯作者 ； 该工作的合作者 还 包括 美国东北大学博士生 邓林 和南京大学赖耘 教授 、王 嘉 楠博士和硕士生陈超为 。该 项 研究 受到 国家重点研发计划 、 国家自然科学基金委 等 资助，同时 也 得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。


来源：http://www.yidianzixun.com/article/0lmDyxJK
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