导读
近日，北京理工大学光电学院王涌天教授团队的黄玲玲教授等人和德国帕德博恩大学Thomas Zentgraf教授课题组合作，提出了一种基于双折射介质超颖表面的多通道和轨道角动量加密的矢量全息方法。该项研究成果发表在光学领域著名期刊ACS Nano上，题目为Polarization-Encrypted Orbital Angular Momentum Multiplexed Metasurface Holography 。
通过设计纳米级天线或谐振器的二维阵列，超颖表面可以提供定制电磁波阵面的通用平台。超颖表面在微型光学中提供了广泛的实际应用，包括光束整形，光学隐身，全息显示，非线性光学，光学加密和存储。特别地，超颖表面全息术可以克服传统全息术所面临的一些挑战，并且具有视场角大，消除不需要的衍射级和高信息容量的优点。通过精巧设计超颖表面的相位、幅度和偏振等自由度，这种全息技术可以实现通用的复用和信息处理能力，超越了传统的全息技术。
带有轨道角动量(OAM)模式的涡旋光束具有特殊螺旋相位因子，其甜甜圈强度分布对光束调制起到很大的作用。由于不同的OAM模式之间的正交性，OAM被认为是光复用的最后一个维度。 因此，它们适合于实现大容量的光通信系统，光镊等。此外，OAM在量子信息处理，光学加密等方面具有广阔应用前景。
本文中提出一种基于偏振和轨道角动量加密的超颖表面全息方法。通过使用全介质双折射超颖表面以及携带轨道角动量的入射光进行信息加密和图像显示。这种超颖表面的偏振选择性取决于对入射光的双折射响应。另外，与先前报道的超颖表面全息方案相比，不同轨道角动量同时携带不同拓扑电荷数为全息加密提供了额外的安全性和设计自由度。对于携带特定轨道角动量的涡旋光束以及输入和输出偏振态的适当组合，可以在检测平面上重建不同的全息图像。我们还设计采用轨道角动量入射的光束调制图像细节的呈现。在同一个偏振通道下，平面光入射下重建“低分辨率”图像，而特定轨道角动量入射下则重建更多细节图像。理想情况下，不同的输出偏振通道之间没有串扰。多偏振和多轨道角动量的自由组合为全息加密和动态显示提供更多的可能性。借助轨道角动量的调制特性对全息的选择性将会为动态全息显示、可切换光学器件、光学加密，数据存储和动态显示打开新的思路。
图1.涡旋和极化加密原理图。
基于偏振和轨道角动量加密的超颖表面全息方法，平面光入射时，在远场不能得到任何信息。而当携带指定轨道角动量的光入射时，隐藏的信息被重建出来。不同的轨道角动量对应着不同的信息，如“NATURE”（拓扑电荷为40），或者“SCIENCE”（拓扑电荷为20）。另外，我们还在正交偏振通道设计了拓扑电荷检测板，即携带指定电荷数的光入射到正交偏振通道时，涡旋光阵列的特定位置被粹灭成又亮又小的光点，而其他位置则仍然成甜甜圈形状。
图2 不同偏振通道中的OAM指示器和OAM全息图。
除此之外，我们还设计了基于偏振和轨道角动量加密的超颖表面全息STED方法。在同一个偏振通道，当拓扑电荷是为0的光入射到超颖表面时，我们能够在远场得到一幅“低分辨率”的图像。而当携带指定拓扑电荷数入射到超颖表面时，原来的图像则呈现出更多的细节信息。这种方法类似于超分辨STED方法。这可用于全息动态显示和伪装加密等方面。
图3. 在平面波和涡旋光束照明情况下呈现不同的全息伪装。
最后，我们提出并演示了使用轨道角动量和多个偏振选择性通道的几种全息加密和显示策略。 通过选择不同的输入/输出偏振通道，可以在单个超颖表面上实现OAM选择性全息方法，光学OAM指示器以及光学防伪（通过描绘复杂的详细信息）来实现。 借助多个OAM状态的正交性，可以为同一偏振通道优化任何可能的OAM组合，而入射的OAM光束就像用于解锁特定信息的钥匙一样工作。这种方法进一步增强了信息容量，并丰富了加密和显示技术中的潜在应用。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09814
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