光学角动量可以分为自旋角动量和轨道角动量，前者通常表现为圆极化偏振，每个光子拥有量子化的值（±），后者携带螺旋相位，每个光子拥有无限的值（l）。光学角动量在经典和量子光学领域中促进了诸多应用，包括光通讯、光镊、自旋霍尔效应和量子显微技术等。

超构表面全息可以有效操控光的多个物理维度，在高容量信息技术中展现出巨大的潜力。近年来，科研人员利用轨道角动量和自旋角动量这两个本征维度分别作为独立的信息载体实现了多通道复用全息技术。然而，亚波长尺度内任意协同调制这两个本征维度迄今还没有实现。

此外，现阶段超构表面实现多功能复用的分割、交错等结构设计方法在原理上违背获取紧凑、高效率器件的目标，这些方法从根本上限制了器件效率，同时会不可避免地引入额外的串扰。

近日，湖南大学段辉高教授课题组联合深圳大学袁小聪教授课题组，基于极简的超构表面结构充分协同自旋和轨道角动量作为信息复用载体，实现了角动量全息。该成果克服了以往多功能复用器件效率和串扰的限制。角动量全息的实现源于一种全新通用的波前调制设计策略，该策略依赖于独立控制光子的两个自旋本征态，并将它们任意叠加在每个工作通道中，从而实现空间波前的任意调制。

该成果以“Angular Momentum Holography via a Minimalist Metasurface for Optical Nested Encryption”为题发表在Light: Science & Applications。

论文第一作者为湖南大学的杨辉博士，共同通讯作者为湖南大学的胡跃强副教授、段辉高教授和深圳大学谢振威副教授。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技创新领军人才项目、湖南省自然科学基金等项目的支持。

角动量全息的实现基于对自旋角动量和轨道角动量的协同调控。其中对自旋和轨道角动量的同时调控可以实现自旋-轨道锁定的全息，该全息只有在特定的涡旋圆偏振光入射下才能重构目标全息图像。对自旋角动量的调控可以实现自旋叠加的全息，即全偏振态矢量全息。角动量全息的实现原理（见图1）。

图1：极简超构表面实现角动量全息的示意图。

基于上述原理，研究团队在理论和实验上展示了具有16个独立通道的角动量全息（见图2）。作为原理的验证，此处展示了分别具有8个独立通道的自旋轨道锁定全息和自旋叠加全息，两种全息在理论上都具有无限的复用通道数。

图2：自旋-轨道锁定的全息和自旋叠加全息功能展示。

利用实现的双功能角动量全息，研究团队还展示了一种新颖的光学嵌套加密方案，该方案可以实现超高容量和安全性的多用户信息传输（见图3）。光学嵌套加密可以打破现有大多数光学加密平台的局限（信息容量有限或者安全性低），同时迎合日益增长的并行高安全性信息传输的需求。

图3：基于角动量全息的光学嵌套加密示意图。

总结与展望

该工作基于极简的超构表面提出了一种一般化的波前整形设计策略，可以克服现有超构表面结构复用设计策略的各种限制。展示了能够充分协同自旋角动量和轨道角动量维度的超构表面角动量全息，并利用其开发了一种新颖的光学嵌套加密方案。

研究结果为亚波长尺度内操控角动量开辟了一条新的路径，在光通信、信息安全和量子科学等领域具有广阔的应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01125-2