超表面是由周期性排列的亚波长结构单元组成的一种二维人工结构，它能够实现对光波的多维灵活控制。通常，其光学响应可以通过 2×2 的琼斯矩阵来表示，因此琼斯矩阵相位通道数量对于提升超表面全息显示能力和增强超表面的信息容量至关重要。然而，当光正入射超表面时，由于结构对称性，在线性或圆极化基下，单个琼斯矩阵最多只能实现三个独立的相位通道。
基于此，中国科学院苏州纳米所黄伟联合长春理工大学邹永刚团队、清华大学深圳国际研究生院宋清华团队合作提出了一种有效的策略，即利用不同极化基的双琼斯矩阵和单层单原子超表面，从而将独立相位通道的数量扩展到六个。为了将六张全息图像编码到这六个相位通道中，引入了一种三步梯度下降算法。作为原理验证，在每个周期中设计并制造了一个由单原子结构阵列组成的超表面，该超表面在远场中展示了六个独立的全息图像。所展示的超表面为大容量信息存储、高安全性加密通信和高分辨率全息显示的光学器件开辟新的可能性。
图1. 六通道调制超表面成像示意图
图2. SiO2 基底上 TiO2纳米柱组成的单原子超表面相位/透过率仿真结果
图3. 三步梯度下降优化算法流程图
图4. 分步优化全息像仿真结果
图5. 六相位通道调制全息显示实验结果表征
该工作以Dual Jones Matrices Empowered Six Phase Channels Modulation with Single-Layer Monoatomic Metasurfaces为题发表在光学著名期刊Laser & Photonics Reviews上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所联合培养刘子琪博士为，通讯作者为清华大学宋清华教授、长春理工大学邹永刚教授和中国科学院苏州纳米所黄伟项目研究员。该工作得到了江苏省自然科学基金省市联合资助项目和苏州市基础研究等项目的支持。
此前，中国科学院苏州纳米所黄伟项目研究员、台湾成功大学吴品颉副教授和清华大学深圳国际研究生院宋清华团队提出了一种独特的“仅相位”型全彩矢量全息策略，并开发了一种基于离散傅里叶变换的先进图像补偿算法，能够在多波长条件下校正多色图像的尺寸和位置。通过将该补偿算法与双奇异点结合，在较宽的波长范围内抑制了特定CP通道的转化，实现了宽带条件下的不对称波前操作，并且证实了EP对的多通道复用能力。该团队所设计的全色矢量加密方案能够将波长和偏振信息独立地编码到强度分布中，颜色和偏振特性的耦合显著增加了超表面信息容量，从而凸显了其在光束整形、光学成像和显示、数据存储和信息处理应用中的巨大潜力。
图6. 基于双奇异点的非对称全彩矢量全息示意图。（A）通过使用PB相位，具有相同图案但不同大小的红绿蓝三色全息图像在水平线偏光（LP-H）照明下以指定角度重叠，（B）从而在感兴趣的区域产生任意（C）方位角和（D）椭偏率的非对称全彩矢量全息图。
图7. 不对称全彩矢量全息图测量结果。（A）制备的超表面的 SEM 图像和（B）其局部放大图像。（C）测量的30°方向区域的强度、（D）方位角和（E）椭偏率。
