在科学和工程领域，噪声通常是不需要的，但却是不可避免的。

2023年1月19日，南京大学王牧，彭茹雯及美国东北大学Liu Yongming共同通讯在Science 在线发表题为“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise”的研究论文，该研究通过将工程噪声引入到琼斯（Jones）矩阵元的精确求解中，打破了超表面极化复用能力的基本限制，这种限制源于琼斯矩阵的维数约束。

该研究的实验证明了多达11个独立的全息图像使用单一超表面照亮可见光与不同的偏振，这是极化多路复用的最高容量。结合位置复用方案，超表面可生成36个不同的图像，形成全息键盘图案。这一发现意味着高容量光学显示、信息加密和数据存储的新范式。

超表面提供了丰富的自由度(dof)来调制基于亚波长结构的光的相位、振幅和偏振。与传统光学器件相比，超表面具有厚度超薄、效率高、响应宽等明显优势。近年来，超表面已被证明用于波长多路复用、角度多路复用和轨道角动量(OAM)多路复用以及可重构元器件。

极化已在超表面中被探索用于大容量多路复用技术，它可以通过独立的通道将信息传输到不同的期望目标。然而，偏振复用的容量存在一个上限。传统上，两个正交的线性偏振(例如，x和y偏振组件)在二维(2D)平面光学平台(如超表面)中具有双重独立的功能而没有交叉。这种方法依赖于琼斯矩阵的对角线元素，琼斯矩阵是一个2 × 2矩阵，表示超表面的光学响应。振幅调制也被引入偏振多路复用。

偏振复用超表面设计原理图（图源自Science ）

应用Malus定律导致了元器件的设计，分别在近场和远场同时编码纳米打印和全息。最近，琼斯矩阵的非对角线元素被用作额外的自由度，实现了三个独立的偏振通道，并实现了三组打印全息图积分。该方法达到了二维平面超表面极化复用能力的理论上限(≤3个独立通道)。这种限制不仅适用于线偏振，也适用于圆偏振[左圆偏振(LCP)和右圆偏振(RCP)]，甚至任意偏振。

尽管通过物理引导的正向设计和基于机器学习的数据驱动的反向设计，偏振多路复用已经得到了实质性的发展，但独立通道的数量限制在3个，这是实际应用中一个显著的限制。打破这一上限对于开发大容量光学显示器和数据存储至关重要。

该研究通过将工程噪声引入到琼斯（Jones）矩阵元的精确求解中，打破了超表面极化复用能力的基本限制，这种限制源于琼斯矩阵的维数约束。该研究的实验证明了多达11个独立的全息图像使用单一超表面照亮可见光与不同的偏振，这是极化多路复用的最高容量。结合位置复用方案，超表面可生成36个不同的图像，形成全息键盘图案。这一发现意味着高容量光学显示、信息加密和数据存储的新范式。

转自：“iNature”微信公众号

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