论文基本信息
标题：
Discontinuous orbital angular momentum metasurface holography
作者：
Xinyue Gao（清华大学深圳国际研究生院）
Zhipeng Yu（清华大学深圳国际研究生院）
Jing Yao（香港理工大学 生物医学工程系）
Xinyang Mu（清华大学深圳国际研究生院）
Yuzhi Shi（同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程研究所）
Puxiang Lai（香港理工大学 生物医学工程系）
Bo Li（清华大学深圳国际研究生院）
通讯作者：宋清华（清华大学深圳国际研究生院）
发表时间：
2025年11月27日（其中2025年4月3日投稿，2025年10月22日接收）
发表期刊：
Nature Communications（JCR-Q1，IF=15.7）
论文重要图文
摘要：
在光学加密与多通道全息中，传统依赖轨道角动量（OAM）的方案虽然具有天然的多模态能力，但其核心缺陷也十分明显：常规OAM模式的拓扑荷在方位上保持恒定，导致光场具有旋转对称性，因此无论输入光束怎么旋转，输出全息图都会保持不变，像“一把只认方向、不认角度的钥匙”，一旦被截获便容易被他人用任意OAM态解码；同时，每一个OAM通道都必须依赖不同拓扑荷的输入光束实现读取，使系统复杂度和安全性难以兼得。针对这些瓶颈，清华大学深圳国际研究生院宋清华团队提出了一种全新的“非连续OAM”超表面全息方法：在方位角方向上对拓扑荷进行分区、打散，使光场失去旋转对称性，像“把密码锁的数字环切成多段并重新排列”，只有在特定旋转角度下，输入光束的相位分布与编码完全对齐，隐藏的信息才会显现。论文中，团队证明了这种非连续OAM在不同旋转角度下具备自正交性，在模式1中两个OAM分区相差180°时完全无重叠，实验与模拟均呈现零串扰的双通道全息解码；而在模式2中仅旋转90°时，由于存在部分重叠而出现明显串扰，正好验证了正交性对多通道解码的重要性。在四通道演示中，旋转输入光束至0°、90°、180°、270°时，四幅图像“A”“B”“C”“D”分别被完整解码，信噪比在对应角度归一化至1；中间角度则出现严重混叠，进一步证明了角度选择性。更进一步，团队将非连续OAM与偏振自由度结合，构建了八通道编码系统：左旋圆偏振下四个OAM对分别解码“M”“T”“E”“A”，右旋圆偏振下另四个OAM对解码“1”“2”“3”“4”，所有图像在同一空间位置且几乎互不串扰，展现了高维度、高安全性的光学加密能力。该成果以 Discontinuous orbital angular momentum metasurface holography 为题，于2025年11月27日发表于《Nature Communications》。
重要图片：
图1. 不连续OAM超表面全息的示意图
a、b 传统恒定OAM全息与本文提出的不连续OAM全息的对比。
a 对于传统OAM全息，拓扑荷TC在方位方向保持恒定。当入射光旋转时，输出图像保持不变。
b 对于不连续OAM全息，TC随角度位置进行方位编码，使得通过旋转入射光束可以实现动态图像切换。
c 多路复用模式1的不连续OAM相位（上排）及其对应的电场分布（下排）。
d 多路复用模式2的不连续OAM相位（上排）及其对应的电场分布（下排）。(c, d) 第一列显示原始不连续OAM，相应的第二列显示分别逆时针旋转180°（c）和90°（d）后的新OAM相位。(d) 中红色虚线框表示旋转后TC分布保持不变的重叠区域。
e 两种不连续OAM模式的正交性计算结果。模式1呈现完全正交性，模式2则由于TC部分重叠而呈现部分正交性。
图2.不连续OAM超表面全息的算法流程图与实验光路
a 四通道不连续OAM超表面全息设计的算法流程图。在每个通道中，采样图像与二维Dirac梳函数相乘，随后通过改进的WGS算法获得全息相位信息。所得相位与对应的不连续OAM螺旋相位相加。最终的相位分布通过叠加所有通道的全息相位获得，从而在单一相位分布中实现多通道OAM全息设计。
b 全息测量的实验搭建。L1–L4：透镜；P：偏振片；QWP：四分之一波片；SLM：空间光调制器；BS：分束器；CCD：电荷耦合器件。
c 倾斜视角下制备的超表面的SEM图像。
图3.两种模式在解码全息图时正交性与信噪比（SNR）的比较
a 输入光束（第一行），以及模式1双通道全息的模拟结果（第二行）和实验结果（第三行）。
b 输入光束（第一行），以及模式2双通道全息的模拟结果（第二行）和实验结果（第三行）。(a, b) 底部放大图显示每个“花瓣状”图案的细节光强分布。
c 模式1与模式2的双通道全息图的SNR。
d 模式1在不同旋转角度下解码全息图的归一化SNR。
图4.四通道不连续OAM全息的模拟与实验结果
a 四通道不连续OAM全息的示意图。通过旋转入射不连续OAM光束可实现四幅输出图像的动态切换。
b 不同入射光旋转角度下解码全息图的归一化SNR。
c 四通道全息的模拟结果，
d 对应的实验结果。
图5.偏振–OAM混合编码
a 支持偏振–OAM混合编码的几何相位超表面示意图，每个通道采用非交错方式。F 表示傅里叶变换。
b LCP光束携带不连续OAM照射超表面时的重建图像模拟与实验结果。
c RCP光束携带不连续OAM照射超表面时的重建图像模拟与实验结果。
参考文献
Gao, X., Yu, Z., Yao, J. et al. Discontinuous orbital angular momentum metasurface holography. Nat Commun 16, 10688 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65722-y
