在光學技術領域，全息成像以其能夠完整捕捉並再現物體所有光學信息的獨特能力，正逐步在視覺體驗、安全加密等多個領域展現其無限潛力。然而，傳統全息技術面臨一個關鍵挑戰：如何在保持資訊高保真度和高隔離度的同時，滿足日益增長的資訊容量需求。這一難題激發了科研人員對新型解決方案的探索。

超表面的出現，為全息成像技術的發展帶來了新的曙光。作為一種創新的二維光學器件，超表面能夠在亞波長尺度上靈活操控光波的振幅、相位、偏振態等多個維度，展現出超越傳統光學器件的小型化、緊湊化和高度集成化的優勢。這一特性使其成為全息成像技術的理想平臺，有望實現資訊容量的顯著提升。

中國科學院上海技術物理研究所紅外科學與技術全國重點實驗室的李冠海和陳效雙研究團隊，通過深入研究，提出了一種創新的非交錯超表面逆向設計方法。該方法基於第一類瑞利-索末菲衍射積分公式，對GS演算法進行了優化，成功獲取了高品質全息圖像在超表面處的相位分佈。通過結合旋轉鐘斯矩陣和梯度下降法，團隊實現了對每個超原子幾何參數的精確控制，以及對超表面的精細設計，從而在確保全息圖像之間高隔離度的前提下，大幅提升了通道數量。

利用這一方法，研究團隊成功設計了一種非交錯超表面，僅需利用超原子的長、寬和旋轉角三個自由度，便實現了三偏振通道、三波長通道以及雙衍射距離的多維複用。在單張超表面上，他們集成了18張高保真度、低串擾的全息圖像，這一成果標誌著全息成像技術通道容量的重大突破。

為了驗證這一創新設計的有效性，研究團隊利用FDTD模擬軟體對兩個具有代表性的非交錯型超表面器件進行了測試。結果表明，他們所提出的逆向設計方法不僅實現了高隔離度的極多通道數量多維複用，還保持了高保真度的全息圖像再現。在波長通道和偏振態通道的複用基礎上，團隊進一步引入了空間距離作為複用維度，設置了兩個不同的焦平面，從而綜合生成了18個波長-偏振態-衍射距離多維復用通道。

如圖2所示，模擬結果顯示了在單衍射距離下，波長通道和偏振態通道複用的全息結果，以及相應的隔離度曲線和相關係數曲線。這些結果充分展示了該非交錯型超表面在保持高隔離度和高保真度方面的卓越性能。圖3則進一步展示了在引入空間距離后，波長-偏振態-衍射距離多維通道復用的全息結果，同樣表現出優異的性能。

這一研究成果不僅為超表面的精確控制和精心設計提供了新的思路，還為全息成像、高密度信息存儲、資訊加密等領域的發展注入了新的活力。通過實現18個高隔離度和高保真度的多維複用通道，該研究為進一步提升超表面的通道容量提供了可能，有望推動相關領域的技術創新和應用拓展。

該研究成果已在《Advanced Optical Materials》期刊上發表，得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、中科院等項目的資助，同時國科大杭州高等研究院、上海量子科學研究中心等也為本工作提供了協助。