我国学者与海外合作者突破光学超构表面偏振复用极限

图 引入光学响应噪声调控，突破超构表面偏振复用极限

在国家自然科学基金项目（批准号：12234010、61975078、11974177）等资助下，南京大学彭茹雯教授、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极限，为发展高容量光学显示、信息加密、数据存储提供了新范式。该成果以“利用噪声工程突破光学超构表面偏振复用极限（Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise）”为题，于2023年1月20日在《科学》（Science）杂志刊发。

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个独立偏振通道的物理极限始终存在。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。

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合作，创新性地在超构表面系统中，引入光学响应关联噪声来产生新的偏振通道，引入非关联噪声来减弱或消除信号串扰，从而突破超构表面偏振复用的物理极限，理论演绎并实验证实利用单一超构表面成功获得高达11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11种独立的全息图像（图）。该研究结果为目前光学超构表面偏振复用的最高独立通道数，并且通过改变阈值条件，该物理上限还可以进一步提升。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。作为示例，研究团队将偏振复用与空间位置复用结合，利用单一超构表面（大小仅为0.33mm × 0.33mm）在可见光波段产生出36重独立的全息图像，形成光学全息键盘图案。

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。