在光学技术领域，全息成像以其能够完整捕捉并再现物体所有光学信息的独特能力，正逐步在视觉体验、安全加密等多个领域展现其无限潜力。然而，传统全息技术面临一个关键挑战：如何在保持信息高保真度和高隔离度的同时，满足日益增长的信息容量需求。这一难题激发了科研人员对新型解决方案的探索。
超表面的出现，为全息成像技术的发展带来了新的曙光。作为一种创新的二维光学器件，超表面能够在亚波长尺度上灵活操控光波的振幅、相位、偏振态等多个维度，展现出超越传统光学器件的小型化、紧凑化和高度集成化的优势。这一特性使其成为全息成像技术的理想平台，有望实现信息容量的显著提升。
中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室的李冠海和陈效双研究团队，通过深入研究，提出了一种创新的非交错超表面逆向设计方法。该方法基于第一类瑞利-索末菲衍射积分公式，对GS算法进行了优化，成功获取了高质量全息图像在超表面处的相位分布。通过结合旋转琼斯矩阵和梯度下降法，团队实现了对每个超原子几何参数的精确控制，以及对超表面的精细设计，从而在确保全息图像之间高隔离度的前提下，大幅提升了信道数量。
利用这一方法，研究团队成功设计了一种非交错超表面，仅需利用超原子的长、宽和旋转角三个自由度，便实现了三偏振信道、三波长信道以及双衍射距离的多维复用。在单张超表面上，他们集成了18张高保真度、低串扰的全息图像，这一成果标志着全息成像技术信道容量的重大突破。
为了验证这一创新设计的有效性，研究团队利用FDTD仿真软件对两个具有代表性的非交错型超表面器件进行了测试。结果表明，他们所提出的逆向设计方法不仅实现了高隔离度的极多信道数量多维复用，还保持了高保真度的全息图像再现。在波长信道和偏振态信道的复用基础上，团队进一步引入了空间距离作为复用维度，设置了两个不同的焦平面，从而综合生成了18个波长-偏振态-衍射距离多维复用信道。
如图2所示，仿真结果显示了在单衍射距离下，波长信道和偏振态信道复用的全息结果，以及相应的隔离度曲线和相关系数曲线。这些结果充分展示了该非交错型超表面在保持高隔离度和高保真度方面的卓越性能。图3则进一步展示了在引入空间距离后，波长-偏振态-衍射距离多维信道复用的全息结果，同样表现出优异的性能。
这一研究成果不仅为超表面的精确控制和精心设计提供了新的思路，还为全息成像、高密度信息存储、信息加密等领域的发展注入了新的活力。通过实现18个高隔离度和高保真度的多维复用信道，该研究为进一步提升超表面的信道容量提供了可能，有望推动相关领域的技术创新和应用拓展。
该研究成果已在《Advanced Optical Materials》期刊上发表，得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、中科院等项目的资助，同时国科大杭州高等研究院、上海量子科学研究中心等也为本工作提供了协助。
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