本文由論文作者團隊（課題組）投稿

光學角動量可以分為自旋角動量和軌道角動量，前者通常表現為圓極化偏振，每個光子擁有量子化的值（±?），后者攜帶螺旋相位，每個光子擁有無限的值（l?）。光學角動量在經典和量子光學領域中促進了諸多應用，包括光通訊、光鑷、自旋霍爾效應和量子顯微技術等。

超構表面全息可以有效操控光的多個物理維度，在高容量信息技術中展現出巨大的潛力。近年來，科研人員利用軌道角動量和自旋角動量這兩個本征維度分別作為獨立的信息載體實現了多通道復用全息技術。然而，亞波長尺度內任意協同調制這兩個本征維度迄今還沒有實現。

此外，現階段超構表面實現多功能復用的分割、交錯等結構設計方法在原理上違背獲取緊湊、高效率器件的目標，這些方法從根本上限制了器件效率，同時會不可避免地引入額外的串擾。

近日，湖南大學段輝高教授課題組聯合深圳大學袁小聰教授課題組，基于極簡的超構表面結構充分協同自旋和軌道角動量作為信息復用載體，實現了角動量全息。該成果克服了以往多功能復用器件效率和串擾的限制。角動量全息的實現源于一種全新通用的波前調制設計策略，該策略依賴于獨立控制光子的兩個自旋本征態，并將它們任意疊加在每個工作通道中，從而實現空間波前的任意調制。

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

論文第一作者為湖南大學的楊輝博士，共同通訊作者為湖南大學的胡躍強副教授、段輝高教授和深圳大學謝振威副教授。該工作得到了國家自然科學基金、湖南省科技創新領軍人才項目、湖南省自然科學基金等項目的支持。

角動量全息的實現基于對自旋角動量和軌道角動量的協同調控。其中對自旋和軌道角動量的同時調控可以實現自旋-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目標全息圖像。對自旋角動量的調控可以實現自旋疊加的全息，即全偏振態矢量全息。角動量全息的實現原理（見圖1）。

圖1：極簡超構表面實現角動量全息的示意圖。

基于上述原理，研究團隊在理論和實驗上展示了具有16個獨立通道的角動量全息（見圖2）。作為原理的驗證，此處展示了分別具有8個獨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限的復用通道數。

圖2：自旋-軌道鎖定的全息和自旋疊加全息功能展示。

利用實現的雙功能角動量全息，研究團隊還展示了一種新穎的光學嵌套加密方案，該方案可以實現超高容量和安全性的多用戶信息傳輸（見圖3）。光學嵌套加密可以打破現有大多數光學加密平臺的局限（信息容量有限或者安全性低），同時迎合日益增長的并行高安全性信息傳輸的需求。

圖3：基于角動量全息的光學嵌套加密示意圖。

總結與展望

該工作基于極簡的超構表面提出了一種一般化的波前整形設計策略，可以克服現有超構表面結構復用設計策略的各種限制。展示了能夠充分協同自旋角動量和軌道角動量維度的超構表面角動量全息，并利用其開發了一種新穎的光學嵌套加密方案。

研究結果為亞波長尺度內操控角動量開辟了一條新的路徑，在光通信、信息安全和量子科學等領域具有廣闊的應用前景。

| 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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