OAM乘法算子实现全息多路复用：突破光场维度限制的新范式

《Light-Science & Applications》：OAM multiplication operator enabled holographic multiplexing

本文针对全息编码参数空间饱和的瓶颈问题，开展了基于轨道角动量（OAM）乘法算子的全息多路复用研究。通过构建算子特异性全息图，实现了九倍于传统OAM全息术的容量提升和2比特算子复用加密，为超高维信息技术提供了可扩展的安全新范式。

　　

在三维显示、光学加密和光子信息处理领域，全息技术一直扮演着关键角色。传统方法通过利用光的波长、偏振和轨道角动量等物理维度来扩展多路复用容量，然而这些固有自由度的耗尽使得全息编码的参数空间趋于饱和，亟需突破性的技术革新。正是在这样的背景下，上海交通大学和南京大学联合团队在《Light: Science & Applications》上发表了开创性研究成果。

研究团队独辟蹊径地引入"算子"这一合成维度，构建了基于OAM乘法算子的全息多路复用框架。该技术的核心在于通过坐标变换方法实现光学OAM乘法算子，将分数OAM模式映射为整数OAM模式，从而打破传统全息术对光固有物理维度的依赖。

关键技术方法主要包括：基于坐标变换的光学OAM乘法算子实现、算子特异性全息图设计、飞秒激光在玻璃内部直写制备二元计算全息图（样本为450×450像素的熔融石英玻璃）、结构相似性指数定量评估以及强度阈值去噪处理。

光学OAM乘法算子的实现

研究团队通过输入平面的变换相位P、特定传播距离d和输出平面的校正相位Q（包括Q₁和Q₂）实现了OAM乘法算子。实验验证表明，当入射FOAM光束拓扑荷TC=3/2、变换缩放因子n=2、传播距离d=1cm时，能成功将FOAM模式转换为IOAM模式并重建目标图像"字母A"。参数敏感性分析显示，TC、n、d和Q四个参数的精确同步对转换保真度至关重要，即使0.1cm的传播距离偏差也会使图像无法识别。

M特异性全息图

为解决传统OAM全息术的安全漏洞，团队将校正相位直接编码到OAM通道中，构建了M特异性全息图。理论推导证实了不同算子通路间的正交性条件，并将每个算子通路映射到三维参数空间中的独特螺旋轨迹。这种设计使得单个OAM通道能够被划分为多个正交的M基子通道，每个子通道都可作为独立的信息载体。

M多路复用全息图

基于强M选择性，团队实现了多路复用全息编码。通过将字母"SJTU"分别编码到四个OAM通道，并叠加不同的校正相位模式，构建了M多路复用全息图。平面波照明无法重建任何有效信息，而顺序照明特定算子通路可选择性地重建每个目标图像，信噪比达到18.96dB。九通道多路复用实验展示了单个OAM通道容量提升九倍的效果。

M多路复用全息术的高安全性加密

团队开发了分层加密框架，将明文"SJTU"转换为莫尔斯二进制序列，映射到两个不同的算子通路，并采用同步密钥链和自适应噪声混淆技术。飞秒激光在玻璃内部直写的物理密文结合噪声混淆策略，确保了未经授权的重建只能产生随机散斑图案。

该研究通过引入算子作为超越光固有物理维度的合成维度，开创了全息多路复用的新范式。与传统OAM全息术相比，算子启用框架通过四个关键参数间的严格相互依赖性消除了部分信息泄漏的弱点，即使微小偏差也会导致重建图像退化为噪声样分布。这种极端参数敏感性为高安全性加密应用提供了坚实基础。研究展示的九倍容量提升仅是保守的概念验证，理论上每个IOAM通道都可以被细分为无限数量的算子定义子通道。该方法与复杂振幅超表面、时分多路复用等先进全息技术完全兼容，为下一代光学全息数据存储系统、动态全息显示和安全光学加密架构奠定了理论基础。虽然OAM乘法算子作为基础示例，但OAM除法算子和其他潜在光学算子同样可以集成到全息系统中，展现出这一框架的普适性和扩展性。