使用非局域超表面实现连续的偏振—波长映射

承载更多信息的光

现代技术如安全通信、先进成像和片上人工智能，都依赖于我们如何巧妙地将信息编码到光中。光的两个最有用的“旋钮”是其颜色（波长）和偏振（电场振动的方向）。本文展示了一种特殊设计的平面光学表面如何以平滑、可编程的方式将这两个旋钮关联起来，为将更多信息塞入单束光的超紧凑器件开辟了道路。

为什么颜色和偏振很重要

颜色和偏振作为信息承载体具有吸引力，因为它们都是连续的：原则上存在无限多种颜色和偏振态可供选择。二者结合构成了一个巨大的编码空间，对从量子密钥分发到在芯片上直接处理信息的成像等任务都很有用。然而，目前大多数光学器件将这些属性分开对待，或仅允许少数固定组合。它们常依赖叠层、分区或不同单元的阵列，带来体积增加、损耗和通道间干扰。因此，光通常被限制在几个预定义的颜色—偏振组合之间跳跃，而无法在完整空间中平滑变化。

一种具有非局域行为的平面表面

作者提出了一种新型“非局域”超表面——一层仅几微米厚、精心图案化的硅薄膜，打破了上述限制。传统超表面的设计是局域性的：每个微小构件主要响应直接照射到它的光。而在这里，研究团队转而建模光如何在整个表面上扩展和衍射，以及如何调控这种集体行为，使得不同波长沿着代表所有可能偏振态的球面上连续变化的路径传播。通过等效的数学描述，他们将结构对偏振的影响与对颜色的影响分离开来，从而能够规定几乎任意的、平滑的输入波长—偏振与输出波长—偏振之间的映射关系。

让神经网络来设计图案

如果手工设计这种超表面几乎是不可能实现的，因为每个微小柱体会同时影响多种颜色和偏振。为了解决这一问题，作者使用了一个解析模型来压缩问题，描述每个“超原子”如何在不同波长上延迟并重塑偏振光，然后将这个紧凑的描述输入到一个专门构建的神经网络中，该网络将超表面视为一个矢量衍射系统，而不是简单的像素阵列。这种方法将设计空间缩小了数个数量级，使得高效优化柱体的形状和方向成为可能，从而使最终器件再现预定的波长与偏振之间的连续对应关系。

把理论变成可工作的器件

研究人员使用与标准纳米制造兼容的深蚀刻硅纳米柱，制造出直径约600微米、包含超过160,000个单元的中红外超表面。实验表明，单一平面器件可以在多种颜色下产生清晰的全息图像，同时保持焦点位置几乎不变——这是一种称为宽带无色差行为的特性。与此同时，每个颜色被赋予一个独特的、精心选择的偏振态，器件能够实现从近似线性的简单偏振路径到分布在偏振球面上任意的复杂路径。对图像保真度、通道效率和偏振对比度的测量显示出最小的串扰，并且即便当通道在波长上彼此接近时，结果也与设计预测高度一致。

将信息打包到光中的新方式

对非专业读者来说，主要信息是这项工作超越了那些在少数固定光态之间切换的器件，朝着能够绘制连接颜色与偏振的平滑、可编程图景的表面迈进。通过展示这样的连续映射可以被设计、制造并在实践中验证，作者为在单一超薄芯片上将数据编码到许多相互交织的光通道的紧凑组件奠定了基础。这可惠及安全通信（每个颜色—偏振组合携带独立密钥）、无需重新对焦即可适应不同波长的成像系统，以及利用高维光场进行计算的光学处理器等领域。

引用: Wang, J., Wang, J., Yu, F. et al. Continuous polarization–wavelength mapping with nonlocal metasurfaces. Light Sci Appl 15, 170 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02233-5

关键词: 超表面全息, 偏振控制, 波长复用, 非局域光子学, 光学信息编码