本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

光學(xué)角動(dòng)量可以分為自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，前者通常表現(xiàn)為圓極化偏振，每個(gè)光子擁有量子化的值（±?），后者攜帶螺旋相位，每個(gè)光子擁有無(wú)限的值（l?）。光學(xué)角動(dòng)量在經(jīng)典和量子光學(xué)領(lǐng)域中促進(jìn)了諸多應(yīng)用，包括光通訊、光鑷、自旋霍爾效應(yīng)和量子顯微技術(shù)等。

超構(gòu)表面全息可以有效操控光的多個(gè)物理維度，在高容量信息技術(shù)中展現(xiàn)出巨大的潛力。近年來(lái)，科研人員利用軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量這兩個(gè)本征維度分別作為獨(dú)立的信息載體實(shí)現(xiàn)了多通道復(fù)用全息技術(shù)。然而，亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)任意協(xié)同調(diào)制這兩個(gè)本征維度迄今還沒有實(shí)現(xiàn)。

此外，現(xiàn)階段超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)用的分割、交錯(cuò)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在原理上違背獲取緊湊、高效率器件的目標(biāo)，這些方法從根本上限制了器件效率，同時(shí)會(huì)不可避免地引入額外的串?dāng)_。

近日，湖南大學(xué)段輝高教授課題組聯(lián)合深圳大學(xué)袁小聰教授課題組，基于極簡(jiǎn)的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)充分協(xié)同自旋和軌道角動(dòng)量作為信息復(fù)用載體，實(shí)現(xiàn)了角動(dòng)量全息。該成果克服了以往多功能復(fù)用器件效率和串?dāng)_的限制。角動(dòng)量全息的實(shí)現(xiàn)源于一種全新通用的波前調(diào)制設(shè)計(jì)策略，該策略依賴于獨(dú)立控制光子的兩個(gè)自旋本征態(tài)，并將它們?nèi)我獐B加在每個(gè)工作通道中，從而實(shí)現(xiàn)空間波前的任意調(diào)制。

該成果以“Angular Momentum Holography via a Minimalist Metasurface for Optical Nested Encryption”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

論文第一作者為湖南大學(xué)的楊輝博士，共同通訊作者為湖南大學(xué)的胡躍強(qiáng)副教授、段輝高教授和深圳大學(xué)謝振威副教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、湖南省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

角動(dòng)量全息的實(shí)現(xiàn)基于對(duì)自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的協(xié)同調(diào)控。其中對(duì)自旋和軌道角動(dòng)量的同時(shí)調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)自旋-軌道鎖定的全息，該全息只有在特定的渦旋圓偏振光入射下才能重構(gòu)目標(biāo)全息圖像。對(duì)自旋角動(dòng)量的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)自旋疊加的全息，即全偏振態(tài)矢量全息。角動(dòng)量全息的實(shí)現(xiàn)原理（見圖1）。

圖1：極簡(jiǎn)超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量全息的示意圖。

基于上述原理，研究團(tuán)隊(duì)在理論和實(shí)驗(yàn)上展示了具有16個(gè)獨(dú)立通道的角動(dòng)量全息（見圖2）。作為原理的驗(yàn)證，此處展示了分別具有8個(gè)獨(dú)立通道的自旋軌道鎖定全息和自旋疊加全息，兩種全息在理論上都具有無(wú)限的復(fù)用通道數(shù)。

圖2：自旋-軌道鎖定的全息和自旋疊加全息功能展示。

利用實(shí)現(xiàn)的雙功能角動(dòng)量全息，研究團(tuán)隊(duì)還展示了一種新穎的光學(xué)嵌套加密方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)超高容量和安全性的多用戶信息傳輸（見圖3）。光學(xué)嵌套加密可以打破現(xiàn)有大多數(shù)光學(xué)加密平臺(tái)的局限（信息容量有限或者安全性低），同時(shí)迎合日益增長(zhǎng)的并行高安全性信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖3：基于角動(dòng)量全息的光學(xué)嵌套加密示意圖。

總結(jié)與展望

該工作基于極簡(jiǎn)的超構(gòu)表面提出了一種一般化的波前整形設(shè)計(jì)策略，可以克服現(xiàn)有超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)復(fù)用設(shè)計(jì)策略的各種限制。展示了能夠充分協(xié)同自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量維度的超構(gòu)表面角動(dòng)量全息，并利用其開發(fā)了一種新穎的光學(xué)嵌套加密方案。

研究結(jié)果為亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)操控角動(dòng)量開辟了一條新的路徑，在光通信、信息安全和量子科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

| 論文信息 |

Yang, H., He, P., Ou, K. et al. Angular momentum holography via a minimalist metasurface for optical nested encryption. Light Sci Appl 12, 79 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01125-2

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