[发明专利]一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法

说明书

本发明公开了一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法，通过优化设计纳米砖单元结构参数，使纳米砖作用为微纳半波片，实现两种叉形光栅的信息存储及两种不同涡旋光的重建。该超表面可由电介质或金属进行构造，利用其微纳半波片特性，可构建基于起偏器、超表面、检偏器的特定光路，对超表面进行双通道振幅调制的设计，对两种二进制叉形光栅的信息进行编码，转化为纳米砖阵列的旋向角分布，并通过特定光路对其进行解码，分别生成两种具有不同涡旋光信息的全息图像，这种复用方法可应用于量子通信等领域。

技术领域

本发明属于微纳光学领域，具体涉及一种具有微纳半波片功能的超表面材料实现叉形光栅复用的设计方法。

背景技术

涡旋光束是一种特殊的矢量光束，它的光强分布呈圆筒状，光束中心位置的相位具有不确定性且自身携带有轨道角动量。这些优点使得涡旋光束在光学操控、光通信、生物医学、微观力学等领域具有很高的应用价值。超表面作为一种亚波长量级的新型光学材料，可对光波进行精确的振幅、相位、偏振、波长调控。由于其具有体积小、重量轻、便于集成等优点，大量基于超表面的新型光学元件被不断研究出来。

目前，已有不少学者使用超表面设计了各种不同的矢量光束发生器，但由于大部分超表面功能单一(一种超表面结构只能产生一种矢量光束)、结构复杂，实际应用受到了极大挑战。因此，亟需一种新的超表面的设计方法，增加超表面光学调控功能的复杂性，以满足深层次的应用需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法。该方法利用一片超表面样片可分别实现两种不同的叉形光栅图案，并通过夫琅禾费衍射在远场实现两束具有不同拓扑数的涡旋光。

本发明的目的之一在于提供一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法：

一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法，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，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；

(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；

(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，在双通道各自的工作环境下，建立两个不同的工作通道，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。

进一步，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。

进一步，所述三层单元结构中，纳米砖为长方体，其材料选自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。

进一步，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。