专利摘要

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。

权利要求

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，单元结构为两层结构或三层结构，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，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，其材料包括Si和TiO2；所述基底为长方体，横截面为正方形，其材料包括MgF2和SiO2。

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Si、TiO2、Ag、Au、Cu和Al；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；介质层材料包括MgF2和SiO2；基底层材料包括Si和Ag、Au、Cu、Al。

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4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(2)中优化的目标为：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。

6.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(3)中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。

7.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°。

8.根据权利要求7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)中将两种不同二进制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。

9.一种利用权利要求1～8任一项所述的叉形光栅复用方法制备的超表面。

10.权利要求9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。

说明书

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，单元结构为两层结构或三层结构，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，其材料包括Si和TiO2；所述基底为长方体，横截面为正方形，其材料包括MgF2和SiO2。

进一步，所述三层单元结构中，纳米砖为长方体，其材料包括Si、TiO2、Ag、Au、Cu和Al；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；介质层材料包括MgF2和SiO2；基底层材料包括Si和Ag、Au、Cu、Al。

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。

进一步，所述步骤(2)中优化的目标为：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。

进一步，

所述步骤(3)中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；

所述步骤(3)中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图案，再通过衍射，将所设计的涡旋光重建到±1级。

进一步，所述步骤(4)中，以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°。

进一步，所述步骤(4)中将两种不同二进制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。优选的，θ1、θ2的范围为0-360°。

本发明的目的之二在于提供利用上述方法制备的超表面。

本发明的目的之三在于提供上述超表面在量子通信中的应用。

工作原理：

1、单元结构

超表面包括两层或三层结构，由下至上依次为基底和纳米砖(或基底、介质层和顶层)；

其中，

基底为具有正方形顶面的方块；

介质层为具有正方形顶面的方块；

纳米砖为长方体结构；

基底和介质层的顶面边长相同；

以介质层或基底顶面的直角边为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；

所述单元结构的周期CS为基底顶面的边长；

所述超表面可在设计波长下可看作一个微纳半波片阵列：所有纳米砖具有相同几何尺寸及不同旋向角，每个纳米砖单元结构可作为一个微纳半波片。

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。优化的目标为：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。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。

对于基底-纳米砖结构，结构参数包括纳米砖的长L、宽W、高H以及周期CS，工作模式为反射式或透射式；对于基底-介质层-纳米砖结构，结构参数包括纳米砖的长L、宽W、高H、周期CS以及介质层厚度d，工作模式为反射式。

若纳米砖单元结构以反射(透射)模式工作：工作波长下s波和p波垂直入射时，s波、p波的反射率(透过率)大致相同，且两者相差相位为π；工作波长下LCP(RCP)光垂直入射时，同向偏振圆偏光的反射率(透过率)被抑制到接近于0的水平且反向偏振圆偏光的反射率(透过率)达到最高。在这种工作模式下，超表面的纳米砖单元结构可作为微纳半波片对光波进行调制。

纳米砖的材料可分为两类：电介质纳米砖及金属纳米砖。

电介质纳米砖可用于设计三层的纳米砖结构(基底、介质层、纳米砖)：使用不透光的Si衬底或金属Ag、Au、Cu、Al作为基底，MgF2、SiO2等低折射率且透明的电介质构建介质层，电介质Si、TiO2构建顶层纳米砖结构。这种纳米砖结构工作原理如下：工作波长下s波和p波入射时，p波发生米氏共振直接反射，s波通过纳米砖后在介质层内发生多光束干涉作用后经纳米砖出射，s波、p波反射光的振幅相同且相位差为π，因此可作为半波片工作。

电介质纳米砖还可用于设计两层的纳米砖结构(基底、纳米砖)：使用MgF2、SiO2等低折射率且透明的电介质作为基底，Si、TiO2等折射率较高的材料构建纳米砖结构(不可选用色散损耗太大的材料)。这种纳米砖结构工作原理如下：构建透射型的纳米砖结构时，通过控制纳米砖的长宽，使得纳米砖在两个方向上的等效折射率不同，s波、p波垂直入射后直接透射并产生π的相位差；构建反射型的纳米砖结构时，通过控制纳米砖的长宽来操控纳米砖两个方向上的米氏共振效应，使得电磁场发生不同程度的增强，s波、p波垂直入射后由于发生米氏共振而反射，两者反射率相同且相位差为π。

其中，纳米砖入射面为纳米砖长轴方向矢量与入射方向矢量共面的平面；s波为偏振态的入射光所分解的电场垂直于纳米砖入射面的线偏振波；所述p波为偏振态的入射光所分解的电场水平于纳米砖入射面的线偏振波；所述LCP(RCP)光为左旋(右旋)圆偏光；所述同向偏振圆偏光为手性与入射光相同的圆偏光；所述反向偏振圆偏光为手性与入射光相反的圆偏光。

金属纳米砖可用于设计三层的纳米砖结构(基底、介质层、纳米砖)：使用不透光的硅衬底或金属Ag、Au、Cu、Al作为基底，MgF2、SiO2等低折射率且透明的电介质构建介质层，金属Ag、Au、Cu、Al等材料构建顶层纳米砖结构。这种纳米砖结构工作原理如下：工作波长下s波和p波入射时，p波发生等离子体共振直接反射，s波通过纳米砖后在介质层内发生多光束干涉作用后经纳米砖出射，s波、p波反射光的振幅相同且相位差为π，因此可作为半波片工作。

2、叉形光栅复用

(1)当一束光依次经过起偏器、纳米砖单元结构以及一个检偏器时，出射光的偏振态及振幅受到三次调制，根据马吕斯定律，出射光的振幅可表示为

Aout＝Ain·cos(2α-θ1-θ2), (1)

其中，Ain与Aout分别为入射到纳米砖单元的光、出射光的振幅；θ1和θ2分别为起偏器、检偏器的透光轴与x轴的夹角；α为纳米砖旋转时长轴与x轴的夹角；x轴沿着纳米砖一边长方向，当纳米砖长轴与x轴方向重合时，α为0；

基于公式(1)，可通过优化θ1、θ2的取值组合对出射光的振幅进行灵活设计，实现双通道的二值振幅调制功能(对应‘00’、‘01’、‘10’、‘11’四种状态)；

超表面同时作为半波片工作时，设定工作波长为λ，所述α的范围为0-180°，θ1、θ2的范围为0-360°。

(2)将叉形光栅图案二值化(对应‘0’、‘1’两种状态)，两个二值叉形光栅图案可通过双通道的振幅调制公式(1)存入纳米砖的旋向角分布中(一个纳米砖旋向角对应两个通道的两个振幅调制值)，建立每个二进制值和旋向角的一一对应，继而构建纳米砖阵列，设计相应的超表面样片；

(3)一束激光垂直入射，依次经过起偏器、超表面样片及检偏器，则可在两个通道的工作环境下，在距离超表面样片0.5m远的±1级位置观察到具有涡旋光光斑图样的衍射图案(每个通道实现的涡旋光光斑不同)。实现叉形光栅图案的复用和量子通信。

本发明的有益效果：

(1)本发明仅通过将超表面材料的几何相位调控与马吕斯定律相结合即可实现双通道的振幅调制功能；

(2)本发明的纳米砖结构可使用各种电介质、金属构造，设计灵活，结构简单；

(3)本发明提出的双通道叉形光栅复用，是基于纳米砖旋向角的两种选择，因此可根据近任意两种不同的叉形光栅图案进行独立设计，两种工作方式不会相互影响；

(4)本发明提出的纳米砖尺度在亚波长量级，具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域，适应于未来小型化、微型化的发展趋势。

附图说明

图1是实施例中纳米砖单元的三维立体结构示意图；

图2是实施例中纳米砖单元结构在入射光为圆偏光时的偏振转换效率分布；

图3是实施例中针对双通道振幅调制原理的简化光路图；

图4是实施例中超表面在通道1下所记录的叉形光栅图案；

图5是实施例中超表面在通道2下所记录的叉形光栅图案；

图中，1-二氧化硅衬底；2-硅纳米砖；L为纳米砖长轴尺寸；W为纳米砖短轴尺寸；H为纳米砖高度；CS为纳米砖周期尺寸大小；α为纳米砖旋向角。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例以双层结构的硅纳米砖为例，工作模式为透射式。见图1所示的硅纳米砖单元结构，从下至上依次为二氧化硅衬底1和介质硅构建的纳米砖2。纳米砖阵列由纳米砖单元结构周期性排列构成，各纳米砖具有相同的几何结构尺寸及不同的旋向角，纳米砖为长方体形，且其长宽高均为亚波长尺寸。

所述基于硅纳米砖阵列结构的超表面样片可采用本领域常规的光刻工艺制作，下面将提供一种具体制备工艺，包括步骤：

(1)衬底上依次涂镀硅薄膜、光刻胶；

(2)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；

(3)依次经显影、刻蚀，即在二氧化硅衬底(1)上获得硅纳米砖阵列。

为了方便理解，下面将阐述所述纳米砖结构用作半波片以及实现叉形光栅复用的工作原理。

当使用介质硅构建纳米砖时，由于其单元周期结构仅半个波长大小，纳米砖的长短轴尺寸具有差异性，因此硅纳米砖可视作具有强烈各向异性的微纳天线。通过优化设计，可使得硅纳米砖长短轴的透射率大小相等，且透射系数之间相差π的相位差，此时，硅纳米砖可作为微纳半波片工作且具有较高的偏振转换效率(反向圆偏光透射率)。

实现叉形光栅复用功能时，需增加一个起偏器以及一个检偏器，来控制入射到超表面的光以及出射光的偏振方向、振幅大小。其中，起偏器、检偏器的透光轴与x轴方向的夹角分别为0°、0°时，如图3所示，一束入射光依次经过起偏器、纳米砖单元结构以及一个检偏器后，根据公式(1)，透射光的振幅可表示为

Aout＝Ain·cos(2α), (2)

当起偏器、检偏器的透光轴与x轴方向的夹角分别为0°、90°时，透射光的振幅可表示为

Aout＝Ain·sin(2α)。 (3)

联立公式(2)、(3)可知，在纳米砖旋向角为22.5°、67.5°、112.5°以及157.5°时，在两种起偏器、检偏器的工作状态下的透射光依次为0.707Ain、-0.707Ain、-0.707Ain和0.707Ain(θ1＝0°，θ2＝0°)；0.707Ain、0.707Ain、-0.707Ain和-0.707Ain(θ1＝0°，θ2＝90°)。若将-0.707Ain记为状态‘0’，0.707Ain记为状态‘1’,则可认为这两种工作模式下分别实现了‘1001’、‘1100’的二进制状态。若纳米砖旋向角固定，则可将‘11’、‘01’、‘00’、‘10’四种编码状态存储在对应的两种工作模式下。

下面将提供所述基于硅基超表面的透射型半波片及其用于叉形光栅复用的具体实施过程。

本实施例中，采用晶体硅材料构建纳米砖，二氧化硅作为衬底，工作波长设置为632.8nm，纳米砖单元结构模型见图1。

第一步，采用现有的COMSOL电磁仿真工具，针对632.8nm优化纳米砖单元结构的几何参数，设置左旋圆偏光为入射光，以透射的右旋圆偏光效率最高为优化目标对纳米砖单元结构进行优化设计。本实施例中，优化后的单元结构几何参数为：纳米砖长L＝150nm，宽W＝60nm，高H＝385nm，周期CS(基底顶面边长)＝300nm。

第二步，对确定的纳米砖单元结构，采用COMSOL电磁仿真工具仿真其在500nm～700nm范围内的圆偏光偏振转换率，见图2所示，其中，同向、反向偏振光分别表示手性与入射光相同、相反的圆偏振光分量。当波长为632.8nm时，圆偏光的偏振转换效率达到了85％，同向偏振光透射率仅5％左右，偏振效率较高，因此认为所设计的纳米砖具有半波片的功能，当使用图3所示光路图进行工作时，由这种纳米砖构成的超表面并可用于线偏光的偏振态、振幅调制。

第三步，设计叉形光栅图案。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可用于构造叉形光栅，将强度信息二值化，即可得到二进制的叉形光栅分布。针对拓扑值l＝2和l＝4的两束涡旋光，可设计两个不同的二进制叉形光栅图案，如图4、图5所示。当一束平面波正入射到具有如图4或图5强度分布的二进制叉形光栅上时，即可通过衍射，将l＝2或4的涡旋光重建到±1级。

第四步，将两个不同的叉形光栅图案记录在超表面上，实现叉形光栅复用。基于半波片的复用原理，可将对应的两个二进制叉形光栅图案中的‘0’、‘1’两个状态转换成纳米砖的旋向角。设通道1(θ1＝0°，θ2＝0°)记录l＝2的涡旋光所对应的二进制叉形光栅(图3)，则通道2(θ1＝0°，θ2＝90°)记录l＝4的涡旋光所对应的二进制叉形光栅(图4)。逐一对超表面的每个纳米砖进行设计，一个纳米砖对应于图3、图4中叉形光栅的一个像素，若图3中对应强度值为‘1’，图4中强度值为‘1’，则称纳米砖所记录的信息为‘11’组合，对应22.5°旋向角。同理，若组合状态分别为‘01’、‘00’或‘10’，则纳米砖旋向角分别对应67.5°、112.5°或157.5°。按照该对应原则，两个二进制叉形光栅信息可全部转换成纳米砖阵列的旋向角分布，并通过图3所示的光路，设置θ1、θ2的状态，分别实现两束涡旋光的重建。两个通道的信息记录互不影响，因此可独立产生两束完全不同的涡旋光，这种复用方法提高了超表面的信息容量，可应用于量子通信等领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

一种基于超表面材料的叉形光栅复用方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。