在纳米光子学与全息技术的前沿探索中，多维度光场调控的突破正重塑高信息通道容量与安全加密的格局。近日，上海理工大学智能科技学院顾敏院士、方心远研究员课题组联合澳大利亚莫纳什大学等国际团队，率先提出一种基于超表面的超窄线宽波长-涡旋复用全息术，突破了传统信息复用的瓶颈，为高信息通道容量光学信息编码与安全加密开辟全新路径。
研究团队结合色散工程与人工智能优化，在动量空间巧妙构建稀疏 k-波矢滤波孔阵列（KAA），并引入 Transformer 神经网络优化纯相位全息图，实现了不同信息通道的图像精准匹配 KAA 采样点阵。实验首次在单一全息片上成功重建 118 个独立彩色图像通道，突破性地将波长选择性线宽压缩至 2 nm，刷新了彩色全息术的线宽极限。进一步地，研究团队利用波长与轨道角动量（OAM）作为密钥，实现了高安全性的彩色全息视觉加密方案，成功将信息率提升至传统方法的约2500 倍，建立了前所未有的光学信息安全防线，为下一代高安全性视觉加密、三维显示、光学人工智能及激光雷达领域带来了革命性进展。
相关成果近日发表在国际顶尖学术期刊《Science Advances》，题目为“Ultranarrow-linewidth wavelength-vortex metasurface holography”。 论文通讯作者为上海理工大学顾敏院士、方心远研究员以及澳大利亚莫纳什大学任浩然研究员。论文第一作者是上海理工大学智能科技学院孟维佳同学与美国华盛顿大学Johannes E. Fröch博士。澳大利亚莫纳什大学Stefan A. Maier教授及美国华盛顿大学Arka Majumdar教授对论文提出重要建议。
随着全息技术在三维显示、光学加密及人工智能等领域的深入应用，实现高信息通道容量已成为重要挑战。传统波长复用全息术依赖于基于布拉格衍射的三维体全息图（图1A），通过严格的k-波矢选择性进行高密度信息存储。然而，该方法严重受限于厚光栅结构的复杂设计、制备及材料选择等问题，且难以与轨道角动量（OAM）等自由度共同构建多维光场调控功能，限制其在虚拟现实、增强现实等紧凑型应用场景中的发展。
近年来，超薄超表面凭借亚波长结构对光场波前的精确调控能力，为全息技术提供了全新的发展平台。通过相位、偏振、波长及 OAM 等多自由度复用，超表面全息图在空间带宽积方面展现出独特优势。然而，现有波长复用超表面全息技术仍受到波长分辨率低的限制，以避免信道间串扰。这一瓶颈主要源于当前超表面复用策略（如多谐振元原子、层间结构或波长相关的光栅设计等）难以形成类似体全息图的布拉格衍射机制，导致不同波长的图像信息在空间频域中重叠，进而限制了通道数量。
1. 超窄线宽波长-涡旋复用全息设计
研究团队提出了一种基于动量空间稀疏k-波矢滤波孔阵列（KAA）的色散调控策略。其核心创新包括：1）通过精确调控多通道图像的k波矢分量，设计波长依赖型光栅函数（kg₁, kg₂）的周期（Λ），使其满足λ₁/Λ₁=λ₂/Λ₂关系，确保目标波长聚焦至相同衍射角β₀（图1B），从而实现高效波长复用；2）在动量空间引入KAA，精准筛选目标波长编码的k波矢（kout₁, kout₂），同时有效抑制非期望衍射级次（k’out₁, k’out₂）。基于该方法，在420nm编码波长下可将入射光高质量恢复全息图案的最小线宽压缩至 2 nm（图 1C）。
图1 传统波长多路复用体全息术与我们策略的相比
进一步，研究团队结合Transformer神经网络优化波长-涡旋复用的纯相位全息图，实现了对每个波长和OAM通道中图像的位置精确控制，使其严格对准KAA采样点阵，同时保持较高的衍射效率。结果表明，该方法可在118个通道（图2A）中重建出高保真图像（SSIM≈1）。通过不断改变入射波长或OAM态，研究团队分析了SSIM值骤降至0.2以下（图2B），显示了线宽从2 nm到11 nm的变化（图2C）。研究过程中实验验证了重建图像的平均SSIM值约为0.79，展示了该方法的可靠性。
图2 具有高信息通道容量的超窄线宽波长-涡旋全息
2. 超窄线宽波长-涡旋复用元全息术
基于上述提到的设计方法，研究团队将纯相位全息图映射到宽带几何相位型超表面，通过优化氮化硅纳米柱的尺寸，该方法成功实现了基于12个波长（455 nm至677 nm）和3个OAM态（l = -1, -3, -5）的36信道图像重构（图3A）。结果表明，在正确波长和OAM条件下，重建图像的平均SSIM值达到0.82，创下当前最高水平，同时图像平均线宽最低可达3.7 nm（图3B）。
图3 超窄线宽波长-涡旋复用元全息术的实验演示
3. 波长-涡旋共享元全息视觉密码学
基于上述波长-涡旋全息复用方案，研究团队进一步提出基于波长-涡旋共享机制的超表面视觉加密方案（图4A）。在该方案中，共享份之间的轻微错位会导致秘密信息无法正确重建，从而确保加密系统的高安全性。因此，超窄线宽的波长-涡旋多路复用全息为视觉密码学提供了一种高安全和彩色的加密方法，其中波长和OAM信息均可作为物理共享密钥。具体而言，研究团队将彩色秘密图像（图4A）分解为七个颜色通道，并进一步拆分为14组基于波长和OAM共享的视觉密钥，实现了多用户共享与联合解密（图4B-C）。实验结果表明，解密过程要求严格匹配正确的波长和OAM态，任何单一维度的偏差都会导致重建图像完全不可见。此外，相较于传统视觉加密方法仅依赖两个实际共享份，该研究充分利用光的物理自由度，实现了1293的信息率，远超传统视觉加密方法（提升约2500倍），展现出卓越的便携性与抗窃听能力。
图4 波长-涡旋共享元全息视觉密码学的实验演示
本研究实现了超窄线宽波长-涡旋复用超表面全息术。通过色散工程精确调控 k-波矢分量，并结合 Transformer 神经网络优化波长和 OAM 通道中的图像位置，使其精确匹配 KAA 采样阵列。实验首次展示了单一全息图重建 118 个独立且高保真图像通道的能力，模拟线宽低至 2 nm。进一步地，研究团队采用几何相位型超表面，将该策略应用于视觉密码学，使得信息率提升至传统方法的约2500 倍，为光学信息安全提供了全新的范式。
论文信息
Meng, W., Fröch, J. E., Cheng, K.et al. Ultranarrow-linewidth wavelength-vortex metasurface holography. Science Advances, 11(12), eadt9159 (2025).
https://doi.org/10.1126/sciadv.adt9159
