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南京大學(xué)科研團隊合作突破光學(xué)超構(gòu)表面偏振復(fù)用容量極限

發(fā)布:cyqdesign 2023-01-28 21:43 閱讀:1674
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)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Science》上。 G~L?q~b  
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偏振是光的基本性質(zhì),在信號傳輸、傳感探測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),將信息通過多個獨立通道傳遞到預(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偏振光與其相互作用,從而該體系最多只有3個獨立偏振通道,造成偏振復(fù)用存在內(nèi)稟的容量極限。近年來盡管基于機器學(xué)習(xí)和迭代優(yōu)化等逆向設(shè)計方案很好地優(yōu)化了偏振復(fù)用技術(shù),但是,3個獨立偏振通道的容量極限始終存在。打破該物理上限對于發(fā)展高容量的光學(xué)顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等應(yīng)用至關(guān)重要。 ODEXQl}R  
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最近,南京大學(xué)彭茹雯和王牧研究組與美國東北大學(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,理論演繹并實驗證實利用單一超構(gòu)表面成功獲得高達(dá)11個獨立偏振通道,該超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見光照射下可觀測到11種獨立的全息圖像。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,研究團隊又進(jìn)一步證實這種新型的偏振復(fù)用技術(shù)能夠與其它復(fù)用技術(shù)(比如空間復(fù)用,角動量復(fù)用等)相融合,并實驗展示單一超構(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。該研究為發(fā)展亞波長尺度下高容量光學(xué)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(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 z)>{O3  
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在該工作中,研究團隊首先發(fā)展出引入光學(xué)響應(yīng)噪聲調(diào)控來打破偏振復(fù)用容量極限的理論方案。如圖1所示,通過設(shè)計含有多個共振單元的二維納米結(jié)構(gòu),其對應(yīng)瓊斯矩陣的對角元和非對角元都可以被獨立調(diào)控,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計中的3個獨立偏振通道。如果期望實現(xiàn)M個偏振通道的復(fù)用,數(shù)學(xué)上三個瓊斯矩陣元需要滿足圖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個的獨立解,因此,研究團隊針對偏振復(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)噪聲來產(chǎn)生新的偏振通道,比如新出現(xiàn)的第四個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)_,保證信道的獨立性,研究團隊進(jìn)一步引入強度可調(diào)的非關(guān)聯(lián)噪聲,減弱甚至消除信號串?dāng)_(如圖1C所示),并最終實現(xiàn)多通道偏振復(fù)用超構(gòu)表面(如圖1D所示)。 `yZZP   
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