近日，紅外科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李冠海、陳效雙、陸衛(wèi)研究團(tuán)隊(duì)和東華大學(xué)邢懷中教授團(tuán)隊(duì)在亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能的非正交偏振全息復(fù)用方面取得進(jìn)展，為復(fù)雜場(chǎng)景目標(biāo)生成、通信信道容量提升、非線性光學(xué)和偏振探測(cè)等相關(guān)應(yīng)用提供了新的可能和參考。成果以“Unlocking Ultra-High Holographic Information Capacity through Nonorthogonal Polarization Multiplexing” 為題在線發(fā)表在國(guó)際期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。

超表面通常是由亞波長(zhǎng)尺度的結(jié)構(gòu)單元組成，基于幾何相位、模式共振等機(jī)制可以同步操控光子相位、振幅和偏振等多個(gè)維度。偏振正交屬性一方面使得任意兩個(gè)正交偏振態(tài)（如水平和垂直）可以互不影響、獨(dú)立操控；另一方面，也使得任意的偏振態(tài)都可以由一組正交基完備表征。雖然光子的偏振正交特性有助于實(shí)現(xiàn)完全隔離的偏振轉(zhuǎn)換和保持，然而，也在根本上限制了類似波長(zhǎng)維度在高光譜、超光譜等在復(fù)用通道數(shù)量上進(jìn)行拓展的可能。

針對(duì)上述學(xué)科前沿問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種在亞波長(zhǎng)尺度上操控超表面局域本征偏振實(shí)現(xiàn)非正交偏振基復(fù)用的新機(jī)制。這種方法允許每個(gè)超表面單元的輸入輸出偏振狀態(tài)之間存在非零內(nèi)積，從而在不利用空間、時(shí)間或其他維度的情況下，實(shí)現(xiàn)了理論上完全隔離的三個(gè)非正交偏振通道循環(huán)的全息復(fù)用?；诖?，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展并建立了矢量衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能的超表面全局非正交偏振優(yōu)化設(shè)計(jì)從而提高衍射效率并抑制串?dāng)_，首次展示了10×10規(guī)模的瓊斯矩陣下不同輸入和輸出偏振態(tài)55全息通道復(fù)用。通過局域本征偏振操控與衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能的全局非正交偏振通道建立，使得不同的非正交偏振態(tài)能夠選擇性的耦合或抑制，實(shí)現(xiàn)了光子多維度、多功能集成復(fù)用。

王杰博士為論文的第一作者，李冠海研究員為通訊作者。上述成果獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委等項(xiàng)目的資助。

圖1 衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能本征偏振操控獲得55通道非正交偏振全息復(fù)用

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50586-5

供稿、供圖：王杰