4月8号南京大学(南京大学秒懂百科)

基于这一理论策略，研究团队进一步证实了这种新型偏振复用技术可以与其他复用技术（如空间复用、角动量复用等）集成，并通过实验演示了单一超结构表面（样本大小为仅0.33mm0.33mm）可产生36个独立的全息图像，形成包含26个英文字母和10个数字的全息键盘图案。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。

在这项工作中，研究团队首先提出了一种引入光响应噪声调节的理论解决方案，以打破偏振复用容量的限制。如图1所示，通过设计包含多个谐振单元的二维纳米结构，可以独立控制琼斯矩阵对应的对角线元素和非对角线元素，从而实现传统设计中的三个独立的偏振通道。如果希望实现M个偏振通道的复用，数学上三个琼斯矩阵元素需要满足图1A中的线性方程组（图中以M=4为例）。然而，在M3的情况下，这个超定方程组不具有超过三个独立解。因此，研究团队求解了偏振复用方程组的最小二乘近似解（而不是精确解），即有意引入光响应的相关噪声，从而产生新的偏振通道，例如出现了新的第四个偏振通道。偏振通道显示不同的图像（如图1B所示）。

然而，虽然相关噪声的引入可以产生新的偏振信道，但不同信道之间存在一定程度的串扰。为了消除这种串扰，保证通道独立性，研究团队进一步引入强度可调的不相关噪声来削弱甚至消除信号串扰（如图1C所示），最终实现了多通道偏振复用超表面（如图1C所示）。图1D）。

图1偏振复用超表面新设计原理示意图。

为了验证上述偏振复用设计的新原理，研究团队以五阶偏振复用超表面为例。首先引入光学响应的相关噪声和随机噪声（图2A、B），通过逆向设计遗传算法获得超表面的结构参数，并利用电子束刻蚀等技术制备光学超表面样品（图2C）。当入射光的偏振态改变时，同一个超表面在对应的五个线偏振通道上产生五个独立的全息图案（‘N’、‘J’、‘’、‘E’和‘U’，如图2D-F）。相关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具有良好的一致性（图2G-J）。

到目前为止，通过引入光学响应的相关噪声和随机噪声，研究团队已经成功利用单一元结构实现了3个以上独立的偏振通道，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表面的设计和实验实现。

（在图2C中，刻度尺寸从左到右分别为40微米、40微米、0.5微米和250纳米。）

基于这一新的设计原理，研究团队进一步探索了偏振复用容量的新极限。首先，通过理论计算得到光学元结构表面偏振复用的相图（图3A）；然后根据该相图，得出偏振复用的新容量限制为11个独立通道。通过改变阈值条件可以进一步提高该上限。研究团队通过实验样品制备和光学测量证实，单个超表面在不同偏振的单色可见光照射下可以获得11个独立的全息图像（图3B-D）。

图3.偏振复用容量新极限的理论结果和实验验证。

（图3B中的比例尺尺寸为50微米，图3C中的比例尺尺寸为400纳米。）

值得一提的是，这种偏振复用的新原理与多种其他复用技术（如空间复用、角动量复用等）兼容，进一步增加了信息传输和存储的容量。例如，研究团队将偏振复用与空间位置复用相结合，理论上设计了具有9个线性偏振通道的超表面。同时，每个偏振通道会在不同的空间位置产生4个独立的全息图像；实验中，最终利用单个元结构表面（尺寸仅为0.33mm0.33mm）在可见光波段生成36个独立的全息图像，构建光学全息键盘图案（图4）。

图4.光学全息键盘图案的实验实现。

（图4A中的比例尺尺寸为50微米，图4B中的比例尺尺寸为400纳米。）

众所周知，噪声在科学和工程领域通常是有害的，但却是不可避免的。然而，该工作通过创新性地人为引入光响应噪声控制，成功突破了光学元结构表面偏振复用的容量限制，为大容量光学显示、信息加密、数据存储等领域的发展提供了新的范式。与其他复用技术（如空间复用、角动量复用、波长复用等）可进一步提高多功能复用能力，有望应用于光通信与互连、光计算、光传感与检测、AR/VR技术等诸多领域。

本工作由南京大学与东北大学合作完成，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。