中国科学院：利用单层单原子超表面实现双琼斯矩阵六独立相位通道调制全息显示

超表面是一种由周期性排列的亚波长结构单元构成的人工二维材料，具备对光波进行多维度灵活调控的能力。通常情况下，其光学响应可以通过2×2的琼斯矩阵来描述，因此增加琼斯矩阵相位通道的数量对于提升超表面在全息显示中的性能以及扩展其信息承载能力具有重要意义。然而，在正入射条件下，由于结构对称性的限制，单个琼斯矩阵在线性或圆偏振基下最多只能实现三个独立的相位控制通道。

针对这一问题，中国科学院苏州纳米所黄伟研究员联合长春理工大学邹永刚教授团队与清华大学深圳国际研究生院宋清华教授团队合作提出了一种创新方法，通过采用不同极化基下的双琼斯矩阵结合单层单原子超表面结构，成功将可独立调制的相位通道数量拓展至六个。为了实现六幅全息图像在这些相位通道中的有效编码，研究中引入了一种三步梯度下降优化算法。作为实验验证，研究人员设计并制造了一个由单原子结构阵列组成的超表面单元结构，并在远场实现了六个相互独立的全息图像显示。该研究成果为高容量信息存储、高安全性加密通信以及高分辨率全息成像等光学器件的发展提供了新思路。

图1. 六通道调制超表面成像示意图

图2. SiO2 基底上 TiO2纳米柱组成的单原子超表面相位/透过率仿真结果

图3. 三步梯度下降优化算法流程图

图4. 分步优化全息像仿真结果

图5. 六相位通道调制全息显示实验结果表征

该项研究以《Dual Jones Matrices Empowered Six Phase Channels Modulation with Single-Layer Monoatomic Metasurfaces》为题发表于光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所联合培养博士刘子琪，通讯作者为清华大学宋清华教授、长春理工大学邹永刚教授及中国科学院苏州纳米所黄伟研究员。研究得到了江苏省自然科学基金省市联合资助项目和苏州市基础研究项目的支持。

此前，由中国科学院苏州纳米所黄伟研究员、台湾成功大学吴品颉副教授与清华大学深圳国际研究生院宋清华教授团队共同提出了一种创新性的“仅相位”型全彩矢量全息策略，并开发了一种基于离散傅里叶变换的先进图像补偿算法，可在多波长条件下实现对彩色图像尺寸和位置的精确校正。通过将该补偿算法与双奇异点机制相结合，能够在较宽波长范围内抑制特定圆偏振通道的转换，从而实现宽带条件下的非对称波前操控，并验证了EP对的多通道复用能力。该团队设计的全色矢量加密方案能够将波长与偏振信息分别编码至强度分布中，颜色与偏振特性的耦合显著提升了超表面的信息容量，展现出其在光束整形、光学成像与显示、数据存储及信息处理等多个应用领域的广阔前景。

图6. 基于双奇异点的非对称全彩矢量全息示意图。（A）利用PB相位，在水平线偏振光（LP-H）照射下，红绿蓝三色全息图像在指定角度重叠，呈现出相同图案但不同尺寸的效果；（B）从而在目标区域生成任意（C）方位角和（D）椭偏率的非对称全彩矢量全息图像。

图7. 非对称全彩矢量全息图测量结果。（A）所制备超表面的SEM图像及其（B）局部放大图。（C）测得的30°方向区域的强度分布，以及对应的（D）方位角和（E）椭偏率。

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