近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李冠海、陳效雙、陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合東華大學(xué)邢懷中團(tuán)隊(duì)，在亞波長尺度上實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能的非正交偏振全息復(fù)用方面取得進(jìn)展。這一成果為復(fù)雜場景目標(biāo)生成、通信信道容量提升、非線性光學(xué)和偏振探測等的應(yīng)用提供了新的可能與參考。相關(guān)研究成果以 Unlocking Ultra-High Holographic Information Capacity through Nonorthogonal Polarization Multiplexing 為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（ Nature Communications）上。

超表面通常由亞波長尺度的結(jié)構(gòu)單元組成，基于幾何相位、模式共振等機(jī)制可以同步操控光子相位、振幅和偏振等多個(gè)維度。偏振正交屬性可使得任意兩個(gè)正交偏振態(tài)可以互不影響、獨(dú)立操控，亦可使得任意的偏振態(tài)均可以由一組正交基完備表征。雖然光子的偏振正交特性有助于實(shí)現(xiàn)完全隔離的偏振轉(zhuǎn)換和保持，但在根本上限制了類似波長維度在高光譜、超光譜等在復(fù)用通道數(shù)量上進(jìn)行拓展的可能。

針對上述問題，該團(tuán)隊(duì)提出了在亞波長尺度上操控超表面局域本征偏振實(shí)現(xiàn)非正交偏振基復(fù)用的新機(jī)制。這一方法允許每個(gè)超表面單元的輸入輸出偏振狀態(tài)之間存在非零內(nèi)積，從而在不利用空間、時(shí)間或其他維度的情況下實(shí)現(xiàn)理論上完全隔離的三個(gè)非正交偏振通道循環(huán)的全息復(fù)用。基于此，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展并建立了矢量衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能的超表面全局非正交偏振優(yōu)化設(shè)計(jì)從而提高衍射效率并抑制串?dāng)_，展示了10×10規(guī)模的瓊斯矩陣下不同輸入和輸出偏振態(tài)55全息通道復(fù)用。研究發(fā)現(xiàn)，建立局域本征偏振操控與衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能的全局非正交偏振通道，使得不同的非正交偏振態(tài)能夠選擇性地耦合或抑制，以實(shí)現(xiàn)光子多維度、多功能集成復(fù)用。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等的支持。

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衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能本征偏振操控獲得55通道非正交偏振全息復(fù)用