浦项科技大学Advanced Science：超表面全息术开启36通道自旋波长复用新时代

解决的问题：超表面全息术在多路复用通道扩展方面面临挑战，传统波长或偏振复用方法存在通道数量受限、图像质量不佳等问题。现有技术难以实现高容量、低噪声的全息图像多路复用，限制了其在光学数据存储、显示等领域的应用，亟需新方法突破这些局限。

提出的方法：提出一种通过相位梯度逆设计实现自旋和波长共多路复用的超表面全息术。利用单胞超表面，在单一相位图中编码多幅全息图像。通过自动微分优化相位图，结合噪声抑制损失函数，减少背景噪声和通道串扰。选用氮化硅（SiN）材料，简化制造流程。

实现的效果：成功展示了两种超表面实例：8 通道全息图覆盖可见和近红外光谱；36 通道全息图在全可见光谱范围内工作。这些全息图在同一焦平面上根据入射光的自旋状态和波长显示不同图像，实现了高容量、低串扰的全息成像，且实验图像与目标图像相似度较高。

创新点：将自旋和波长多路复用集成于单一相位图，通过单次优化过程同时编码左旋和右旋圆偏振（LCP 和 RCP）信息，避免复杂的元原子设计和单独优化。引入噪声抑制损失函数，提升图像质量。该方法可扩展性强，为高容量光学应用提供新途径。

研究成果以题为 “36-Channel Spin and Wavelength Co-Multiplexed Metasurface Holography by Phase-Gradient Inverse Design” 发表于《Advanced Science》上。浦项科技大学Cherry Park、Youngsun Jeon为论文共同第一作者，浦项科技大学Junsuk Rho为论文通讯作者。

摘要：超表面全息术已成为一种在亚波长尺度操纵光的多功能工具，在多路复用高分辨率全息图像方面具有更强的能力。然而，通道多路复用的可扩展性仍然是一个重大挑战。在本文中，我们提出了一种高容量单胞超表面，它能够通过使用单一相位图在自旋和波长上多路复用全息图像，从而最大化通道数量。详细介绍了通过逆设计优化的单胞超表面在从可见光到近红外波长的宽光谱范围内，实现左旋和右旋圆偏振态的同时多路复用。通过自动微分最小化目标图像和输出图像之间的损失，优化相位分布以编码多幅全息图像，无需复杂的元原子，从而在保持高性能的同时降低了制造复杂性。使用这种方法，展示了两种超表面实例：一种是覆盖可见光和近红外区域的 8 通道全息图，另一种是在全可见光谱范围内工作的 36 通道全息图，该全息图在 18 个波长上以 20 纳米的间隔运行。此外，在优化过程中纳入了与噪声相关的损失函数，以抑制背景噪声并最小化通道间串扰，从而显著提高了图像质量和保真度。这种方法为进一步的光子应用，如显示器、光学数据存储和信息加密，提供了可靠的解决方案。

结论：在本研究中，我们利用单胞超表面展示了自旋和波长多路复用的全息图。根据入射光的自旋状态和波长显示不同的全息图像，所有图像都投影到同一焦平面上。通过使用具有自动微分功能的逆设计，我们优化了单一相位图，通过单次优化过程在不同波长和偏振状态下同时编码多幅图像，无需对每个参数进行独立优化，避免了使用复杂的元原子。此外，我们使用了氮化硅（SiN）这种在宽波长范围内具有稳定光学特性的材料，实现了对所有波长的均匀光操纵。因此，使用单一材料即可在所有波长上进行均匀光操纵。这简化了制造过程，同时确保了高容量多路复用并实现了高分辨率图像重建。通过自旋和波长多路复用，我们在宽波长范围内将通道数量扩展到 36 个。该方法的主要优点之一是其可扩展性，使其适用于高容量应用。此外，它能够在保持图像保真度的同时编码大量信息。为实现这一目标，我们引入了一种优化过程，对图像进行空间分离，并最小化相邻通道之间的波长间噪声。我们的研究结果通过优化单一相位图并成功实现自旋和波长的多路复用，可能对基于超表面的全息图的设计和实现做出重大贡献。这种方法为光学数据存储、3D 显示和安全信息加密等应用带来了新的可能性，这些领域对高效且可扩展的全息系统有很高的需求。未来的发展可以探索集成额外的自由度，如轨道角动量（OAM）模式，以显著扩展多路复用通道的数量。利用 OAM 模式的正交性，可以在单个超表面上编码众多不同的通道。此外，利用不同的深度学习技术来处理全息图像中的串扰和噪声，可能实现跨多个通道的无噪声全息图。克服材料限制可能进一步允许在跨越紫外 - 近红外区域的单个超表面上实现多功能超全息图。这些先进多路复用策略的集成将为开发能够处理各种领域中更复杂和高容量应用的下一代全息系统铺平道路。

图1：自旋和波长多路复用超全息图示意图。

图2：自旋和波长多路复用全息图设计流程。

图3：元原子的模拟结果。

图4：制备的全息图的实验验证。

图5：36通道多路复用全息图，在可见光谱内的18个波长上运行，并通过自旋状态多路复用以显示字母和数字。

文章信息：

C. Park, Y. Jeon, J. Rho, 36-Channel Spin and Wavelength Co-Multiplexed Metasurface Holography by Phase-Gradient Inverse Design. Adv. Sci. 2025, 2504634.

https://doi.org/10.1002/advs.202504634