近日，湖南师范大学杨辉副教授团队联合湖南大学胡跃强教授团队和湖南工商大学团队，报道了一种通过单层超表面实现色散全通道琼斯矩阵调制的通用策略。该工作通过椭圆偏振基下的琼斯矩阵解耦与精细的色散工程协同设计，首次在单层超表面中实现了多波长的全通道琼斯矩阵调控，突破了传统线偏振或圆偏振基下的通道数上限。作为概念验证，研究团队在双波长下，利用四对正交椭圆偏振态，成功重建了八个完全独立矢量全息图像，并进一步扩展到三维空间，构建了高安全性的双密钥空间卷积加密平台，为高容量、高安全光学信息处理提供了新范式。相关成果以“Dispersive Full-Channel Jones Matrix Modulation in Elliptical Polarization Bases via a Single-Layered Metasurface”为题发表于Advanced Science期刊。
论文共同第一作者为湖南师范大学何海蓉博士和长沙理工大学曹广涛副教授，共同通讯作者为湖南工商大学许辉教授、湖南大学胡跃强教授和湖南师范大学杨辉副教授。该工作得到了国家自然科学基金创新群体项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省科技创新领军人才项目和湖南省自然科学基金等项目的支持。
偏振与波长作为光场的关键物理维度，其协同调控是提升光学系统信息容量的核心路径。超表面作为二维人工纳米结构，通过亚波长单元设计可在极薄厚度内调控光的相位、振幅与偏振等，为多功能集成光学器件提供了全新平台。偏振的矢量特性由琼斯矩阵描述，其四个元素理论上支持四个独立调控通道，然而受结构对称性限制，传统单层超表面通常仅能实现三个通道的独立控制，成为其功能扩展的主要瓶颈。尽管多层堆叠或复杂设计可突破这一限制，但往往伴随制备难度与器件厚度的增加。另一方面，波长作为光子的重要属性，其复用技术已在通信领域显著提升传输容量，将其引入超表面设计是进一步提高信息容量的必然趋势。
现有研究多集中于单一偏振通道的波长复用，或在多波长下仅实现部分琼斯矩阵通道的调控，在单层超表面上实现多波长下全琼斯矩阵四通道的独立、低串扰调控仍是一项尚未突破的挑战，限制了该技术在高容量全息显示、高安全加密等领域的应用。因此，发展一种能协同调控波长色散与全偏振通道的新方法，对突破单层超表面的容量极限、推动下一代高性能超光学器件发展具有重要意义。
图1 单层超表面实现色散型全通道琼斯矩阵调制的示意图。a.以往文献中基于超表面的波长与琼斯矩阵通道复用技术总结。根据复用波长数和超表面层数，将其划分为单波长/多波长以及单层/多层结构两类。本研究工作以红色五角星标注，实现了基于单层超表面的多波长复用全琼斯矩阵调控。b.一种典型超表面结构示意图，可在两个不同波长下复用四个琼斯矩阵通道用于全息显示。该超表面共支持八个通道，且所生成的所有矢量全息图像彼此相互独立。
图2 单层色散型琼斯矩阵全通道超表面的结构图和设计原理。a.超单元的结构示意图，由四个各向异性超原子组成，并标示了其详细几何参数。b.所设计的色散型超表面的光学响应矩阵。c.基于各向异性超表面的色散型全通道琼斯矩阵调制的设计原理流程图。通过一种自主开发的集成优化方法（该方法结合了粒子群优化算法和遗传算法）将计算得出的色散相位曲线分配给各向异性元原子，在两个经典离散波长λR=635 nm和λG=532 nm处展示波长复用。d.在λR和λG这两个不同波长下，超原子的相位延迟与透射率计算结果，以及其与长轴和短轴尺寸之间的关系。
图3 色散型全通道琼斯矩阵调制矢量全息图的实现。a.所制备的超表面的顶视SEM图。b.所制备超表面的斜视SEM图。c.所研究的椭圆偏振态在庞加莱球表面上以特定点所表示。d,e.所设计的超器件在八个相互独立的矢量全息通道下的数值模拟与实验重建结果。
图4 双密钥空间卷积加密平台示意图。a.用于编码两组全息图以实现加密的超器件结构示意图。b.双密钥空间卷积加密平台的概念框架。Lily 在同一块超表面上分别为 Lucy（22）、John（11）、Ted（10）等接收者加密信息。相同的器件样品被分发给各个接收者，接收者可利用各自定制的密钥解密其对应的信息。每位接收者均持有两组密钥，且均包含用户特定的参数，包括入射波长、入射偏振态、出射偏振态以及成像平面距离。通过卷积运算并提取矩阵元素位置，再结合发送者预先设定的编码表，可实现不同的加密信息。
本研究通过引入色散工程与椭圆偏振基变换相结合的创新方法，成功突破了单层超表面在波长和琼斯矩阵通道复用方面的固有物理限制，发展出一种能够实现全通道、多波长琼斯矩阵独立调制的通用超构表面策略。实验上，该方案在可见光双波长下，成功实现了四椭圆偏振复用的八个独立全息图像重建，验证了多通道、低串扰的矢量全息显示能力。进一步地，该架构被拓展至三维空间，构建了具备双密钥机制的空间卷积光学加密平台，展示了其在多维光学信息编码与高安全性信息传输中的应用潜力。本工作为多功能、高容量超构表面器件的设计提供了新思路，在动态显示、光学防伪、高维光通信与信息加密等领域具有重要的应用前景。
论文信息：
Hairong He, Guangtao Cao, Shuhao Zhang, Hui Xu*, Zhiquan Chen, Meiyu Peng, Yuting Jiang, Yuegiang Hu*, Hui Jing, Huigao Duan, Hui Yang*, “Dispersive Full-Channel Jones Matrix Modulation in Elliptical Polarization Bases via a Single-Layered Metasurface” , Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.202521354.
论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202521354
撰稿|课题组
