近日，湖南师范大学景辉教授团队与湖南大学段辉高教授团队合作，基于液晶集成超构表面的动态偏振色散调制技术，实现了三波长与两正交偏振的动态光场调控，为多通道动态全息显示、高安全和高容量信息加密等领域提供全新解决方案。相关研究成果以“Dynamically Polarization-dispersion-modulated LC-Integrated Metasurfaces for Hybrid-dimensions Encryption”为题，于2025年6月4日在线发表于光学领域权威期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》。湖南师范大学何海蓉博士和湖南大学博士生庾点为论文的共同第一作者，湖南师范大学杨辉副教授、景辉教授、湖南大学胡跃强教授和段辉高教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技创新领军人才项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省自然科学基金和岳麓山工业创新中心项目的支持。
随着互联网和信息技术的迅猛发展，数据量呈现爆炸式增长，这对信息容量和处理能力提出了前所未有的挑战。多维复用技术作为当前提升信息容量最为广泛采用的策略之一，已在多个领域展现出重要价值。然而，传统光学元件在信息处理速度、能耗以及集成度等方面逐渐显现出固有局限性。超构表面作为一种新兴的人工微纳结构，能够在亚波长尺度上实现对电磁波振幅、相位、频率及偏振等物理维度的精确调控，展现出传统材料难以企及的优势，为多功能平面光学器件的集成化发展以及信息容量的提升提供了优越平台。然而，现有基于超构表面的复用技术研究主要聚焦于探索偏振复用和波长复用技术的理论上限，在实现多通道偏振与波长复用的超表面设计方面仍面临诸多技术难题，尤其对其动态调控尚处于初步探索阶段。
我们首次提出了一种基于液晶与超构表面集成的动态偏振色散调制新范式，有效突破了现有静态多维复用器件的技术瓶颈。该技术的物理机制源于协同调控液晶和各向异性超构表面的偏振色散特性。所设计的集成超构表面器件能够实现红绿蓝三波长下两个正交偏振的动态复用功能（如图1所示）。
图1. 动态偏振色散调制液晶集成超构表面的结构和原理示意图。
该器件设计采用液晶薄膜与单层TiO₂椭圆纳米柱各向异性超构表面垂直集成，其具体设计方案如图2所示。通过施加外部电压改变液晶分子的取向角，实时调控液晶薄膜在不同波长下引入的波长相关相位延迟，将入射偏振光转换为目标波长对应的特定偏振态。然后利用超单元叠加色散琼斯矩阵模型，解耦波长与偏振响应。通过算法优化超单元内四个纳米柱的几何参数，使其能够独立操控多波长下的任意对正交偏振通道，最终实现高维动态光场调控。
图2. 动态偏振色散调制型液晶集成超表面的设计方案。
基于上述原理，研究团队提出并开发了一种动态三基色六偏振全息显示策略，并通过仿真与实验验证了其可行性。采用电子束光刻、原子层沉积及干法刻蚀工艺制备，在SiO₂基底上构建尺寸为300×300 μm²的TiO₂超构表面，并集成厚度为3 μm的5CB液晶层。通过电压调控实现了波长-偏振协同操控，从而在三波长六偏振通道下完成了六个不同场景的毫秒级动态切换，如图3所示。
图3. 具有三色六偏振通道的动态复用全息显示功能展示。
在此基础上，研究团队提出并验证了一种基于液晶集成超构表面的混合维度光信息加密策略，如图4所示。该方案突破传统依赖光物理维度（波长/偏振/相位等）的加密局限，创新性地引入电压维度构建三重协同加密体系，通过波长-偏振-电压混合编码，将六组信息分别隐藏于超构表面不同通道的全息通道，解密时严格遵循预共享密钥，通过物理存储（超表面）与动态密钥（电压序列）分离机制，使暴力破解复杂度提升，显著增强信息机密性与抗攻击能力，为高安全等级光学加密提供新方案。
图4.混合维度信息加密原理与功能展示。
我们提出了一种液晶与超构表面集成实现动态偏振色散调制波前调控的一般化方法。通过协同调控液晶与超构表面的偏振色散特性，可实现动态混合维度波前调控。通过在液晶上施加外部电压，可分别在不同波长处实现不同的偏振状态。基于此，通过构建并优化多原子复合超单元的叠加色散琼斯矩阵，可在多种正交极化通道下实现不同的光场调控。作为概念验证，本研究通过数值模拟与实验展示了三基色下六偏振通道的动态全息显示功能。此外，通过结合光子的固有物理维度与电压调控形成的混合维度，设计并展示了一种高安全性的信息传输加密系平台，其安全性显著优于纯光子物理维度的传统加密方案。值得注意的是，该设计策略具有通用性，可扩展至其他波长范围，为多功能调制元器件的动态调控提供了新思路。这些研究成果为动态高容量多路复用技术开辟了全新路径，有望在光学显示、成像及增强现实等多个领域得到广泛应用。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202500564
