超表面是由周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)單元組成的一種二維人工結(jié)構(gòu)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對光波的多維靈活控制。通常，其光學(xué)響應(yīng)可以通過 2×2 的瓊斯矩陣來表示，因此瓊斯矩陣相位通道數(shù)量對于提升超表面全息顯示能力和增強超表面的信息容量至關(guān)重要。然而，當(dāng)光正入射超表面時，由于結(jié)構(gòu)對稱性，在線性或圓極化基下，單個瓊斯矩陣最多只能實現(xiàn)三個獨立的相位通道。

基于此，中國科學(xué)院蘇州納米所黃偉聯(lián)合長春理工大學(xué)鄒永剛團隊、清華大學(xué)深圳國際研究生院宋清華團隊合作提出了一種有效的策略，即利用不同極化基的雙瓊斯矩陣和單層單原子超表面，從而將獨立相位通道的數(shù)量擴展到六個。為了將六張全息圖像編碼到這六個相位通道中，引入了一種三步梯度下降算法。作為原理驗證，在每個周期中設(shè)計并制造了一個由單原子結(jié)構(gòu)陣列組成的超表面，該超表面在遠場中展示了六個獨立的全息圖像。所展示的超表面為大容量信息存儲、高安全性加密通信和高分辨率全息顯示的光學(xué)器件開辟新的可能性。

圖1. 六通道調(diào)制超表面成像示意圖

圖2. SiO2?基底上 TiO2納米柱組成的單原子超表面相位/透過率仿真結(jié)果

圖3. 三步梯度下降優(yōu)化算法流程圖

圖4. 分步優(yōu)化全息像仿真結(jié)果

圖5. 六相位通道調(diào)制全息顯示實驗結(jié)果表征

該工作以Dual Jones Matrices Empowered Six Phase Channels Modulation with Single-Layer Monoatomic Metasurfaces為題發(fā)表在光學(xué)著名期刊Laser & Photonics Reviews上。論文第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng)劉子琪博士為，通訊作者為清華大學(xué)宋清華教授、長春理工大學(xué)鄒永剛教授和中國科學(xué)院蘇州納米所黃偉項目研究員。該工作得到了江蘇省自然科學(xué)基金省市聯(lián)合資助項目和蘇州市基礎(chǔ)研究等項目的支持。

此前，中國科學(xué)院蘇州納米所黃偉項目研究員、臺灣成功大學(xué)吳品頡副教授和清華大學(xué)深圳國際研究生院宋清華團隊提出了一種獨特的“僅相位”型全彩矢量全息策略，并開發(fā)了一種基于離散傅里葉變換的先進圖像補償算法，能夠在多波長條件下校正多色圖像的尺寸和位置。通過將該補償算法與雙奇異點結(jié)合，在較寬的波長范圍內(nèi)抑制了特定CP通道的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了寬帶條件下的不對稱波前操作，并且證實了EP對的多通道復(fù)用能力。該團隊所設(shè)計的全色矢量加密方案能夠?qū)⒉ㄩL和偏振信息獨立地編碼到強度分布中，顏色和偏振特性的耦合顯著增加了超表面信息容量，從而凸顯了其在光束整形、光學(xué)成像和顯示、數(shù)據(jù)存儲和信息處理應(yīng)用中的巨大潛力。

圖6. 基于雙奇異點的非對稱全彩矢量全息示意圖。（A）通過使用PB相位，具有相同圖案但不同大小的紅綠藍三色全息圖像在水平線偏光（LP-H）照明下以指定角度重疊，（B）從而在感興趣的區(qū)域產(chǎn)生任意（C）方位角和（D）橢偏率的非對稱全彩矢量全息圖。

圖7. 不對稱全彩矢量全息圖測量結(jié)果。（A）制備的超表面的?SEM?圖像和（B）其局部放大圖像。（C）測量的30°方向區(qū)域的強度、（D）方位角和（E）橢偏率。