[发明专利]一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法

权利要求书

1.一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备超表面材料，该超表面由多个单元结构阵列于一平面上构成，单元结构为二层结构或三层结构，前者由基底和设置于基底上的纳米砖组成，后者由基底、介质层和纳米砖从下至上叠加形成；

(2)采用电磁仿真工具，设置工作波长，对超表面的单元结构的参数进行优化，以圆偏光垂直入射单元结构时，出射光中反向偏振圆偏光效率最高且同向偏振圆偏光效率被抑制到最低为优化目标，使得每个单元结构作为微纳半波片进行工作，其中二层单元结构工作模式为反射式或透射式，三层单元结构工作模式为反射式；

(3)设计叉形光栅图案，将其光强信息二值化，得到二进制叉形光栅分布图并重建和赋值；

叉形光栅的设计方法如下：一束正入射的平面波与一束斜入射的涡旋光在z＝0m平面上的干涉条纹中的强度信息用于构造叉形光栅图案；不同拓扑值的两束涡旋光可构造两种叉形光栅图案；将两种叉形光栅图案灰度值二值化并同时记录在同一超表面上，设计、加工二进制叉形光栅；

叉形光栅重建和赋值的方法如下：将一束平面波正入射到二进制叉形光栅上，再通过衍射，将所设计的涡旋光重建到±1级；

(4)将两个不同的二进制叉形光栅分布图中的二进制灰度值复用转化为纳米砖的旋向角，每个像素对应一个旋向角、两个二进制光栅的灰度值信息，构建单元结构阵列以形成超表面；超表面基于单元结构的两种工作状态可实现独立的双通道振幅调制；

将两种不同二进制叉形光栅分布图中的复用转化为纳米砖的旋向角的方法如下：在超表面前后平行设置起偏器和检偏器，当一束光依次经过起偏器、超表面和检偏器时，出射光的偏振态及振幅受到三次调制；出射光的振幅由纳米砖的旋向角α，起偏器、检偏器透光轴与x轴的夹角θ₁、θ₂决定；通过优化θ₁、θ₂确定两者的取值，继而建立出射光振幅与α的对应关系，在特定的两组θ₁、θ₂状态下，灵活选择α的四种取值，建立两个工作通道，实现二进制振幅‘0’和‘1’的独立调控，赋予双通道下纳米砖的四种振幅值分布为‘11’、‘01’、‘00’、‘10’四种二进制编码状态，实现旋向角α与二进制叉形光栅图案每个像素一一对应；单元结构两种工作状态下均独立赋值实现独立的双通道二值振幅调制功能；

(5)在超表面前后平行设置起偏器和检偏器，将一束光垂直入射依次经过起偏器、超表面和检偏器，建立两个不同的工作通道，在双通道各自的工作环境下，得到两幅具有涡旋光光斑图样的衍射图案，以实现信息的记录和传输。

2.根据权利要求1所述的基于超表面材料的叉形光栅复用方法，其特征在于：所述二层单元结构中，纳米砖为长方体，其材料选自Si和TiO₂中的一种；所述基底为长方体，横截面为正方形，其材料选自MgF₂和SiO₂中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于超表面材料的叉形光栅复用方法，其特征在于：所述三层单元结构中，纳米砖为长方体，其材料包括选自Si、TiO₂、Ag、Au、Cu和Al中的一种；所述介质层与基底均为长方体，两者的横截面均为正方形，且大小相同；介质层材料选自MgF₂和SiO₂中的一种；基底层材料选自Si和Ag、Au、Cu、Al中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于超表面材料的叉形光栅复用方法，其特征在于：所述单元结构为二层结构时，优化参数包括纳米砖的长宽高、基底顶面边长；所述单元结构为三层结构时，优化参数包括纳米砖的长宽高、基底顶面边长以及介质层厚度；上述参数均为亚波长级。

5.根据权利要求1所述的基于超表面材料的叉形光栅复用方法，其特征在于：所述步骤(4)中，以基底或介质层顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖的长轴与x轴的夹角为旋向角α，α的范围为0-180°。

6.一种利用权利要求1～5任一项所述的叉形光栅复用方法制备的超表面。

7.权利要求6所述的利用叉形光栅复用方法制备的超表面在量子通信中的应用。