图1 矢量全息超表面设计概念图。其中入射光源携带Ex和Ey偏振信息，出射光场全息图案各部分对应独特设计的矢量信息连续变化分布。
近日，北京理工大学黄玲玲教授等人提出了一种双折射超表面全偏振矢量全息加密方法，提升空间分辨率和偏振维度。该项研究成果发表在国际著名期刊 Advanced Functional Materials 上，题目为Spatial varying vectorial holography and polarization encryption based on birefringent metasurface。
超表面作为一种新兴的微纳光学元器件，凭借其紧凑的结构设计，丰富的调制功能，以及精密的设计方法，在光场调制、成像显示、光学信息加密等方面具有潜力。通过对天线结构和阵列分布进行独特设计，可以实现针对光场不同特征信息的准确调控。
传统全息相位调制方法仅能实现全息图像强度再现，即通常仅是标量全息。为了结合更加丰富的光学属性，研究者们采用不同手段来突破标量限制，比如利用偏振多通道的全息优化在不同偏振条件下产生不同的全息图案，或利用组合天线实现复振幅控制、空间复用等方法实现矢量全息光场。然而，上述方法导致信息容量未充分利用等限制，空间分辨率有待进一步提高。
为了实现全矢量空间、高精密、高效率的矢量全息，黄玲玲教授团队采用双折射超表面设计实现了能够覆盖全偏振信息的矢量全息。如图1所示，利用平面光照射双折射介质型超表面，可以实现在频谱面观察覆盖全偏振空间的矢量全息信息。双折射超表面由周期、高度相同，长宽不同的硅柱天线构成，可以实现正交偏振通道上产生两组全息相位φx和φy，经过联合调制优化，可以准确控制出射光场的偏振状态。入射光束为包含Ex和Ey信息的平面光束，例如线偏振光、圆偏振光等。经超表面调制即可产生覆盖全偏振态的矢量全息光场。
图2 矢量全息超表面设计方案。(a-b)矢量全息图案设计示意图，数字标记图案各部分矢量信息连续变化规律；(c)矢量全息图在六种典型正交偏振基分解得到的对应强度分布；(d)联合相位优化方法设计流程图，其中优化自变量为φx，φy相位信息，优化目标为六种典型偏振状态下的全息图案分布。
团队研究人员发展了联合相位矢量全息优化方法实现矢量全息。采用基于梯度下降优化算法，相比于常用的GS算法具有更高的优化速度和效率。这种高效率的矢量全息优化方法具备灵活的矢量控制手段，可以实现偏振图案纹理信息的精细刻画。具有矩形横截面的纳米柱天线可以实现正交偏振通道上产生两组独立的全息相位φx和φy，经过联合调制优化，可以准确控制出射光场的偏振状态。以φx，φy作为共同优化的两个基本变量，六种典型偏振状态的全息强度分布作为优化的约束目标，根据快速傅立叶变换方法构建超表面相位分布和全息光场强度分布之间的关联，采用梯度下降算法，可以实现联合相位优化设计。该优化方法可以用于任意的矢量设计要求，并且具有很高的空间分辨率。通过设计具有椭圆偏振条件的矢量全息光学加密，能够使不同矢量特性的字符信息在特定的偏振观测条件下隐藏或显示。实验采用字符和背景颜色对应于十八种不同的矢量特征，可以选择性地对特定椭圆偏振信息实现信息加密解密。
图3 矢量全息加密样品设计方案及实验结果图。其中(a)为标记偏振信息邦加球分布、(b)为六种典型偏振态对应振幅特征、 (c)为左旋圆偏及左旋椭圆偏等多种偏振条件下的实验观察结果、(d)为右旋圆偏及右旋椭圆偏等多种偏振条件下的实验观察结果。
该超表面矢量全息设计方法能够突破传统偏振空间复用的局限性，利用单像素矢量调控提高了空间分辨率，并且产生的偏振态可以覆盖整个庞加莱球。该方法为各类偏振控制提供了新途径，有望进一步应用于光学通信、光学加密等领域。
论文链接：
Spatial varying vectorial holography and polarization encryption based on birefringent metasurface.
https://doi.org/10.1002/adfm.202404196
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