南京大學彭茹雯教授、王牧教授研究組聯(lián)合美國東北大學劉詠民教授研究組，創(chuàng)新性地引入光學響應噪聲調(diào)控，成功突破光學超構(gòu)表面偏振復用極限，為發(fā)展高容量光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲提供了新范式。 N=2T~M 1  
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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，被廣泛應用于光子學和信息技術(shù)的多個領(lǐng)域。比如光的偏振可應用于大容量的復用技術(shù)，將信息通過多個獨立通道傳遞到預定目標。隨著光學器件的小型化，人們發(fā)現(xiàn)在諸如光學超構(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，造成偏振復用存在內(nèi)稟極限。近年來盡管基于機器學習和迭代優(yōu)化等逆向設計方案很好地優(yōu)化了偏振復用技術(shù)，但是，3個獨立偏振通道的物理極限始終存在。打破該物理上限對于發(fā)展高容量的光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等應用至關(guān)重要。 %ZWt 45A  
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最近，南京大學彭茹雯和王牧研究組與美國東北大學劉詠民研究組合作，創(chuàng)新性地在超構(gòu)表面系統(tǒng)中，引入光學響應關(guān)聯(lián)噪聲來產(chǎn)生新的偏振通道，引入非關(guān)聯(lián)噪聲來減弱或消除信號串擾，從而突破超構(gòu)表面偏振復用的物理極限，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)果為目前光學超構(gòu)表面偏振復用的最高獨立通道數(shù)，并且通過改變閾值條件，該物理上限還可以進一步提升�；�于該理論策略，研究團隊又進一步證實這種新型的偏振復用技術(shù)能夠與其它復用技術(shù)（比如空間復用，角動量復用等）相融合。作為示例，研究團隊將偏振復用與空間位置復用結(jié)合，利用單一超構(gòu)表面（大小僅為0.33mm × 0.33mm）在可見光波段產(chǎn)生出36重獨立的全息圖像，形成光學全息鍵盤圖案。該研究為發(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(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。 a0sz$u  
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在該工作中，研究團隊首先發(fā)展出引入光學響應噪聲調(diào)控來打破偏振復用容量極限的理論方案。如圖1所示，通過設計含有多個共振單元的二維納米結(jié)構(gòu)，其對應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個偏振通道的復用，數(shù)學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），即有意引入光學響應的關(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擾。為了消除這種串擾，保證信道的獨立性，研究團隊進一步引入強度可調(diào)的非關(guān)聯(lián)噪聲，減弱甚至消除信號串擾（如圖1C所示），并最終實現(xiàn)多通道偏振復用超構(gòu)表面（如圖1D所示）。 \b(&-=(  
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為了驗證上述偏振復用設計新原理，研究團隊以五階偏振復用超構(gòu)表面作為示例。首先引入光學響應的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機噪聲（圖2A, B），通過逆向設計遺傳算法獲得超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用電子束刻蝕等技術(shù)制備得到光學超構(gòu)表面樣品（圖2C）。當改變?nèi)肷涔獾钠�振態(tài)，在對應的5個線偏振通道上，同一超構(gòu)表面產(chǎn)生五種獨立的全息圖形（“N”、“J”、“&”、“E”和“U”，如圖2D-F）。關(guān)聯(lián)系數(shù)和能量分布的定量分析表明，實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果與預期結(jié)果展示很好的一致性（圖2G-J）。至此，通過引入光學響應的關(guān)聯(lián)噪聲和隨機噪聲，研究團隊成功地利用單一超構(gòu)表面實現(xiàn)了超過3個獨立偏振通道，突破了二維平面體系偏振復用的容量極限。 .aY$-Y<  
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基于該新設計原理，研究團隊進一步探索偏振復用容量的新極限。首先由理論計算獲得光學超構(gòu)表面偏振復用的相圖（圖3A）；然后根據(jù)該相圖，得到偏振復用的新容量上限為11個獨立通道。通過改變閾值條件，該上限還可以進一步提升。研究團隊通過實驗樣品制備和光學測量證實，單一超構(gòu)表面在不同偏振的單色可見光照射下可以獲得11種獨立的全息圖像（圖3B-D）。 T*C25l;w  
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值得提到的是，該種新原理偏振復用能夠兼容其他多種復用技術(shù)（如空間復用，角動量復用等），進一步提升信息傳輸和存儲的容量。作為示例，研究團隊將偏振復用與空間位置復用結(jié)合，理論設計了具有9重線偏振通道的超構(gòu)表面，同時每個偏振通道中都會在不同空間位置處產(chǎn)生4幅獨立的全息圖像；實驗上最終利用單一超構(gòu)表面(大小僅為0.33mm × 0.33mm)在可見光波段產(chǎn)生出36重獨立的全息圖像，構(gòu)建出光學全息鍵盤圖案（圖4）。 uWdF7|PN7  
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眾所周知，噪聲在科學和工程領(lǐng)域通常是有害無益卻又不可避免的。但是，該項工作通過創(chuàng)新性地人為引入光學響應噪聲調(diào)控，成功突破了光學超構(gòu)表面偏振復用極限，為發(fā)展高容量光學顯示、信息加密、數(shù)據(jù)存儲等提供了新的范式，結(jié)合其它復用技術(shù)（比如空間復用、角動量復用、波長復用等）可以進一步提高多功能復用容量，可望應用于光通信和互聯(lián)、光計算、光傳感與探測、AR/VR技術(shù)等眾多領(lǐng)域。 ;i6~iLY  
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該項目獲得了國家自然科學基金項目（批準號：12234010、61975078、11974177）等資助。 ")uKDq  
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該成果以“利用噪聲工程突破光學超構(gòu)表面偏振復用極限（Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise）”為題，于2023年1月20日在《科學》（Science）雜志刊發(fā)。 L@(. i  
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文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5140