导读

偏振与波长是光最重要且高度稳定的两个自由度，对其进行连续、精确的联合调控，理论上能够极大拓展光子的信息承载量，在量子安全通信、传感器端计算和超密集光子互联等领域具有重要应用前景。然而，受限于结构色散与器件对称性，现有超表面对偏振与波长的调控多停留在离散或分段复用层面，难以实现真正连续且相互独立的高保真操控。

近日，中国科学院上海技术物理研究所陈效双、陆卫和李冠海研究员团队提出一种非局域超表面连续光场重构策略，通过在连续频谱–偏振信息域中引入等效非局域 Jones 矩阵描述，将连续双折射演化从结构本征色散中解耦，并结合维度交叉的矢量衍射神经网络，实现了偏振–波长之间的任意连续映射。该方法首次在中红外波段（2.7–4 μm）实现了具有光谱分辨能力的可编程偏振整形，突破了传统超表面离散调控的固有局限，为连续域光子多维编码提供了可扩展的新路径。相关研究成果以“Continuous Polarization–Wavelength Mapping with Nonlocal Metasurfaces”，为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

随着光通信、量子信息与智能感知技术的发展，如何在有限的光学通道中承载和处理更高维度的信息，已成为光子学领域的核心问题之一，偏振和波长作为光学信息编码的重要载体，彼此正交并共同构成了连续的多维信息空间，其联合编码在理论上可显著提升光子的可用信息容量。

然而，现有光学器件和超表面平台在偏振与波长调控方面仍面临根本性限制。一方面，超表面单元的本征色散通常呈现近线性行为，导致可用色散自由度不足；另一方面，结构对称性和 Jones 矩阵简并性使偏振与波长响应不可避免地相互耦合。受此限制，现有方案多采用级联器件、空间分块或多层结构，将不同自由度分开处理。难以实现真正连续、独立且可编程的联合操控。这一瓶颈严重制约了高维光场调控和连续信息域编码的发展。

研究亮点

1.提出基于非局域超表面的连续信息域重构策略

本文提出了一种基于非局域超表面的连续信息域重构策略。通过在像面引入等效非局域琼斯矩阵，构建了结构扰动与远场矢量响应之间的正向演化模型，从而实现了连续偏振演化与光谱色散的等效解耦（图1b）。在此基础上，进一步结合自主构建的维度交错矢量衍射神经网络，将原本规模高达4n³的高维设计参数空间压缩至8n，实现了单元旋转角度与波长变量在连续域内的高效联合优化。该策略从根本上突破了连续多维光子操控所面临的物理机理约束与工程实现瓶颈，为高维、连续可编程的光场调控提供了可扩展的解决方案。

图1：(a) 实现连续偏振波长全息术的非局部超表面示意图。每个输入偏振态对应于特定波长，通过庞加莱球上的连续偏振通道在超表面上进行映射，产生宽带梯度偏振全息；(b) 基于非局域超表面的连续信息域重构概念图。

2.实现偏振波长非简并信息操控

为验证这一方法的可行性，研究团队基于纯硅材料体系利用电子束曝光（EBL）及电感应等离子体刻蚀（ICP）等方法制备出了尺寸为600微米，最小特征尺寸为300纳米，深宽比超过20的全息超表面。测试结果表明，该超表面器件在中红外波段2700纳米至3920纳米的波长范围内，具有很好的任意偏振多色矢量全息性能（图2）。其中每个波长与庞加莱球上任意选择的椭圆偏振态间的映射关系可以任意选择，而不受赤道对称或线性插值的约束，证明其非简并偏振波长映射的能力。

图2：任意偏振多色矢量全息超表面的性能表征。(a) 庞加莱球上任意组合的偏振与波长映射关系，其中输入（蓝色）和输出（红色）偏振态互为共轭椭圆偏振对；(b) 目标矢量全息图像，其中每个花瓣编码一个独立的偏振波长通道。(c) 仿真和测量的全息结果；(d) 五个矢量通道的相对效率；(e)偏振对比矩阵用于量化设计偏振波长通道下的矢量保真度。

3.连续频谱梯度偏振全息编码

研究团队进一步制备并实验验证了一种连续梯度偏振全息超表面，其偏振态沿庞加莱球覆盖了从 −30° 到 60° 线性偏振的高密度、连续轨迹采样。该连续偏振路径被一一映射至中红外 2700–3920纳米的连续波长范围内，由此生成的矢量全息图在偏振与波长两个维度上均呈现出高保真的重建结果，未出现图像畸变或空间缩放伪影（图3），有力验证了连续信息域重构超表面设计策略在双自由度连续变化条件下的有效性。该研究构建了一个同时具备宽带消色差高保真度与连续梯度偏振调控能力的超表面平台，首次在被动器件体系中实现了多自由度连续域解耦与编码，为面向高维光子信息编码、安全光通信以及波长自适应成像系统等跨领域应用奠定了坚实的物理与技术基础。

图3：宽带光谱上连续梯度偏振全息表征。(a) 任意连续偏振态下的宽带消色差梯度偏振全息；(b)在密集采样的连续偏振和波长通道下，实验图像与目标图案之间的相关系数；(c)与先前报道工作的对比。

总结与展望

本研究提出基于连续色散本征偏振的连续频谱-偏振光子操控理论，并结合维度交错的矢量衍射神经网络，建立了一种连续信息域重构的非局域超表面设计框架，实现了超越传统离散设计极限的偏振与波长两个核心自由度的连续、独立且可编程联合操控。标志着光场调控由离散自由度设计向连续信息域设计的转变，为高容量光场编码、可重构超表面及新一代矢量光通信技术奠定了基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02233-5