为全息图和元表面带来角动量

用于光学嵌套加密的调幅全息术示意图。调幅全息术取决于在输出场中任意叠加SAM和OAM的特征状态。对于自旋轨道锁定全息术（SOLH），四个全息图像 "L、R、X、Y "的重建取决于携带特定SAM和OAM值的入射光（表示为|σ，l>）。对于自旋叠加全息（SSH），四个具有特定空间分布的SoP的阿拉伯数字 "1，2，3，4 "在入射的XLP Guassian光（表示为|0，0>）下被重建。对于光学嵌套加密，重建的SOL全息图像被用来作为下一步解密的密钥（翻译成特定的SoP，表示为<2χ, 2ψ | ，其中χ和ψ分别表示椭圆度角和方位角），加密的信息被生成的SS全息图像完全解锁。信用：光： Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01125-2

全息技术是由Gabor发明的，它提供了一种记录和重建物体光的完整信息（即强度和相位）的方法。自其发明以来，全息相关技术已被广泛应用于众多领域，如光学显示、成像、数据存储、加密和计量。

在发表于《光》杂志的一篇新论文中： 科学与应用》上发表的一篇新论文中，由湖南大学的胡越强教授和惠高教授以及深圳大学的谢振伟教授领导的科学家团队开发了一种独特的方法，将角动量（AM）全息技术应用于信息复用。

基于传统光学设备如空间光调制器（SLM）的全息技术存在着分辨率低和视野小的缺点，阻碍了其实际应用。另一方面，科学家们可以通过用元表面取代传统组件来获得高分辨率、超薄厚度和高性能的对应物。

元表面由纳米级散射物的二维亚波长阵列组成，允许以多个自由度（DoFs）操纵灯光。它为光学复用全息术提供了新一代的多功能平台。

在这种情况下，光的不同物理维度，如波长、入射角、偏振状态（SoP）和时间，已被作为全息系统的独立信息通道加以利用。在几乎用尽了现有的用于复用全息的物理维度之后，光的AM维度作为一个新的机会出现了。

光学AM是对光子的量子力学描述，推动了经典和量子光学领域的众多应用，包括光学镊子、自旋霍尔效应和量子显微镜。AM被分为轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）。

利用动量空间中全息图的适当空间频率采样，OAM已被实现为光学全息术的独立信息载体。由于无界的螺旋模式和内在的正交性，OAM-复用全息术显示出前所未有的光学信息处理能力。线性偏振通道被添加到依赖OAM的全息术中，进一步提高了信息容量。SAM也被探索用于复用全息，范围从自旋依赖到自旋解耦。


众多的努力都是为了生成全极化矢量全息术。由于有能力控制Poincare球（PS）上的任意偏振矢量，它原则上可以提供无限的复用通道，为大容量的光学加密显示出巨大潜力。在现有的OAM-复用全息术中加入SAM维度，并同时在空间上操纵全极化矢量的做法尚未被研究。

最直观的设计方法是分割或交织几种元原子，每种元原子对应一种特定功能。这样的方法会限制其效率，并引入不受欢迎的交叉连接。为了克服这些缺点，由非交错的元原子组成的元表面将是一个很好的选择。然而，使用交错或非交错策略实现调幅全息技术仍然遥遥无期。

研究小组从理论上和实验上证明了AM全息的范式，该范式基于通过最小化的元表面实现的SAM和OAM的完全协同作用。调幅全息的设计方法取决于独立控制两个自旋特征态并在每个操作通道中任意叠加。这样一来，就对所产生的波形进行了随意的空间调制。

研究小组展示了一个调幅元全息图，它可以重建两组不同的全息图像来证明这一概念。这些是自旋轨道锁定（SOL）和自旋叠加（SS）的，导致了由入射AM决定的多维和多通道全息。多通道AM元全息图提供了额外的安全锁，使我们能够构建先进的光学嵌套加密平台，彻底改变现有的数据容量有限或安全性低的光学加密方案。

在光学嵌套加密策略中，SOL和SS全息图像被用来以特定的顺序对光学信息进行加密和解密，使编码的信息无法抵御某些暴力攻击。

嵌套式加密方案在理论上拥有来自调幅全息的无界信息通道，迎合了日益增长的平行高安全信息传输的要求。值得注意的是，该设计策略是通用的，可以扩展到实现其他波形塑造功能，如空间结构光的生成和偏振结。
 

Hui Yang et al, Angular momentum holography via a minimalist metasurface for optical nested encryption, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01125-2