摘要

近日，南开大学陈树琪教授课题组与山东师范大学蔡阳健教授课题组联合发展了一种基于光场相干结构调控的超表面并提出了信息鲁棒传输技术。该超表面能够在微纳尺度上生成携带任意信息的部分相干光束，即便在遇到障碍物干扰时，也能实现高质量的修复与重建。这一创新不仅为广义的超表面相干性操控提供了通用的理论支撑，而且为鲁棒全息、光束控制等前沿应用领域的发展奠定了坚实基础。该研究成果以“Ultra-Robust Informational Metasurfaces Based on Spatial Coherence Structures Engineering”为题发表于《Light: Science & Applications》。

正文

光信息传输技术凭借精确性、灵活性和多维性等特性，极大地推动了诸如超分辨率成像、全息摄影和光学计算等光学信息技术的发展。然而，当光信息在穿越散射体或障碍物等复杂环境时，特别是在处理高空间频率信息时，会面临信息损失和串扰等问题。传统的计算成像方法，如鬼成像技术，虽然能够恢复部分损失的信息，但它们往往面临光路调控复杂、系统体积庞大等挑战。

超表面凭借体积小、设计自由度高等特点，能够从近场到远场实现高效的光学操控，为光学操控带来了新的可能，也为集成光学的发展提供了新的机遇。然而，传统的基于超表面的信息技术在遭遇环境扰动时，由于超表面的最小化导致的衍射效应，特别是在可见光范围内，同样面临着信息损失和串扰的困扰。

为了克服这些限制，研究人员提出了一种创新方案即利用随机超表面实现超鲁棒信息传输。这一方案基于光场相干性调控的抗扰动优势，通过设计具有特定统计特性的随机超表面，产生了具有特定空间相干结构和相干长度的部分相干光束。通过精心设计的相干结构，成功实现了携带图像信息光束的产生。这种经过相干结构调控的光束展现出了非凡的传输特性，即使在传输过程中遭遇大面积遮挡，仍能在远场完美重现，实现了超鲁棒光学信息传输和自修复效应。

这一方案的提出，为超越传统基于超表面的信息技术，实现超鲁棒信息传输开辟了新的道路。可以相信，随着技术的不断发展和完善，这一方案将在未来的光学信息技术领域发挥更加重要的作用。

1.随机超表面调控光束相干结构及光束整形

光场相干性，作为描述光场二阶统计特性的关键物理量，其降低能有效克服复杂环境扰动对光场传输的不利影响。利用超表面实现光场相干性的灵活调控，不仅简化了传统相干调控装置的复杂性，还显著提升了光学系统的紧凑性和性能。尽管该研究团队之前的研究已经实现了超表面相干长度的任意调控，但对于更为复杂的相干结构调控仍主要依赖于传统的宏观光学器件。本文中研究者们通过亚波长尺度的超表面，成功实现了对光场相干结构和相干长度的同时调控。

凭借超表面对光束波前的精确调控能力，根据预设光束的信息设计相应的超表面结构分布。通过将特定的相位波动映射到超表面上，能够同时实现对相干长度和相干结构的精细操控。如图1所示，将具备特定相干特性的随机相位分布巧妙加载至超表面上，从而在光传输过程中产生随机分布的散斑光强并在远场实现特定的光束整形。透射相位通过具有高折射率和高透射率的二氧化钛纳米柱进行局部调控。相较于传统的通过旋转毛玻璃和空间光调制器（SLM）组合来调控相干结构的方法，超表面因其亚波长结构特性展现出显著优势。它不仅能够以更高的效率调控光场，而且能够更精确地操控散斑分布。

图1.利用随机超表面实现光场相干结构调控及其远场光强分布 图源：Light: Science & Applications

2.随机超表面图像信息鲁棒传输

在光的传输过程中，散射体或障碍物往往会对光的路径产生显著影响，导致光束波前发生变化。然而，当这些经由随机超表面后生成的瞬时散斑光强在远场叠加时，除了障碍物导致的能量损失外，统计强度几乎与无障碍物的情形保持一致（图1d）。这一特性表明本文中所提出的超表面设计方案能够克服环境中的扰动，实现更为稳定和可靠的光场传输。此外，除了能够生成任意谢尔模型的光束之外，还能够利用本文中提出的超表面设计方案，将任意图像的信息加载到相干结构中，从而实现图像信息的鲁棒传输，如图2所示。经过障碍物遮挡后重建图像的分辨率与部分相干光束的相干长度密切相关。当相干长度被有效降低到足够低的水平时，分辨率主要受到衍射极限的限制。

图2.光场经携带特定图像信息随机超表面后未遮挡与被遮挡后的远场光强分布 图源：Light: Science & Applications

总结与展望

本文创新性地提出了一种基于随机超表面信息鲁棒传输的方案，通过引入具有特定相干函数的随机波前，超表面能够精确地操控入射光束，赋予其预设的空间相干结构和相干长度特性。即便在光传输过程中遭遇大面积障碍物的遮挡，随机超表面依然能够保持稳定的光信息传输性能。这一特性为在扰动介质中实现高效、可靠的光信息传输提供了全新的思路，拓宽了光场调控的应用范围，为光学成像、信息加密和传输等领域带来了新的突破和机遇。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01485-3