本文由论文作者团队撰稿
导读
近日，上海交通大学陈险峰教授、陈玉萍教授团队联合南京大学张勇教授团队，提出并实验实现了一种基于光学算符的全息复用新框架。研究团队在实验中实现了轨道角动量（OAM）乘法算符，并据此构建出仅对特定算符路径响应的全息体系。该工作首次将“算符”的概念引入到光学全息系统，为超高维信息存储与光学通信开辟了新方向。相关成果以"OAM Multiplication Operator Enabled Holographic Multiplexing"为题发表于Light: Science & Applications，上海交通大学沈飞扬、毛正阳和南京大学范维文为论文共同第一作者，刘海港、陈险峰、张勇和陈玉萍为论文的共同通讯作者。
光学全息术能够在单幅全息图中记录并再现光场的振幅与相位信息，为三维显示、光学存储与信息安全等领域提供了重要支撑。随着多维信息时代的到来，研究者们不断尝试引入光的多种物理自由度，如波长、偏振、入射角度与轨道角动量（OAM）等，以提升全息系统的信息复用能力。这些方法在扩展全息容量、提升系统灵活性方面取得了显著进展，使光场操控迈入更高维度的复用阶段。
然而，基于光固有属性的复用方式终究存在物理边界，参数空间趋于饱和，限制了全息技术的进一步发展。摆脱对光场自身固有维度的依赖，从被动复用转向在更高层次上自主定义，有望实现高容量、高安全性的全息架构，为全息信息处理带来全新的思路与机遇。
本研究基于坐标变换实现OAM的乘法算符，构建了分数OAM空间与整数OAM空间之间的映射关系。我们把乘法过程对应的校正相位叠加进OAM通道并计算全息图，从而制作出“算符特异性”的全息图，使目标图像只能被特定的乘法过程进行重建。每一条算符路径可以在三维参数空间中以螺旋轨迹几何化表征其唯一性，几乎无上限的参数空间以及不同算符路径之间的正交性为高容量、低串扰的全息复用提供了理论保障。
图1：OAM乘法算符驱动全息复用概念示意图
在复用容量方面，单个整数OAM通道可以按乘法过程被细分为若干算符子通道。在实验中，针对l=-1的通道，我们构建并验证了9个彼此正交且可独立寻址的算符路径，对应 9 个可单独解码的子通道，从而在不增加本征OAM通道数量的前提下，显著拓展了传统 OAM 全息的容量上限。
图2：算符选择性全息图。a. 在OAM通道中叠加修正相位，b. 仅有特定的算符路径可以重建目标图像。c. 同一整数OAM通道可细分为多个算符子通道，作为独立的信息载体
在信息加密方面，我们将2-bit的算符复用全息密文以飞秒激光直写方式加工在玻璃中。编码端由发送方将明文映射为算符路径序列，生成三条相互关联的密钥链，并在发送前引入噪声混淆以提升抗推断能力。接收方需将三条密钥链正确组装为算符路径并依次输入重建，方可逐步得到“0/1”的二进制图样，而任意路径或顺序偏差均无法读取有效信息。该方案在保持系统简洁的同时兼具高安全性与良好的可扩展性。
图3：基于OAM乘法算符复用全息的高安全性信息加密
总结与展望
本研究提出了光学算符驱动的全息复用新范式。以基于坐标变换的OAM乘法算符为例，构建出仅对特定路径响应的算符选择性全息术。该范式为高容量与高安全性的全息信息处理提供了新的体系框架。
本研究提出的方法未来可以与数字微镜阵列、超表面等先进平台相互结合，有望将全息容量和图像质量推向新的高度。同时，OAM乘法算符只是算符维度的一个起点，更多可编程、可组合的潜在光学算符仍有待挖掘与验证。未来，算符驱动的全息复用有望在光学存储、信息加密以及三维显示等方向释放更大的潜力。
论文信息
Shen, F., Mao, Z., Fan, W. et al. OAM multiplication operator enabled holographic multiplexing. Light Sci Appl 15, 18 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02107-2
