用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法
阅读说明：本技术 用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法 (Design method of super-surface material for realizing near-field spin angular momentum multiplexing ) 是由 陈奎先 郑国兴 李子乐 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法,包括：构建超表面阵列,超表面阵列包括多个纳米砖结构单元；优化得到纳米砖结构单元的多组备选尺寸参数；设计复用图像一,并计算其上各像素点对应的纳米砖结构单元的相位再设计复用图像二,并计算其上各像素点对应的纳米砖结构单元的相位根据和计算各纳米砖结构单元的纳米砖转向角和传输相位；根据传输相位选出超表面阵列中各位置处的纳米砖结构单元对应的尺寸参数,再将各位置处对应尺寸参数的纳米砖结构单元计算出的纳米砖转向角为进行排布,从而获得所需的超表面材料。本发明大大扩充了超表面近场复用技术的信息通道维度,使得复用信息呈指数的增加。(The invention provides a design method of a super surface material for realizing near-field spin angular momentum multiplexing, which comprises the following steps: constructing a super-surface array, wherein the super-surface array comprises a plurality of nano brick structure units; optimizing to obtain multiple groups of candidate size parameters of the nano brick structural unit; designing a multiplexing image I, and calculating the phase of the nano-brick structure unit corresponding to each pixel point on the multiplexing image I Designing a multiplexing image II, and calculating the phase of the nano-brick structure unit corresponding to each pixel point on the multiplexing image II According to And calculating the nano-brick steering angle and the transmission phase of each nano-brick structure unit; and selecting the corresponding size parameters of the nano-brick structure units at each position in the super-surface array according to the transmission phase, and arranging the nano-brick steering angles calculated by the nano-brick structure units with the corresponding size parameters at each position to obtain the required super-surface material. The invention greatly expands the information channel dimension of the super-surface near-field multiplexing technology, so that the multiplexing information is exponentially increased.)
技术领域
本发明属于信息光学的技术领域，具体涉及一种用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法。
背景技术
超表面近场复用技术作为一种新型的近场多通道高分辨成像技术，以其多通道、高效、高分辨率和极为精确操控的技术特点受到了越来越多的关注，成为现代复用成像技术的重要研究内容之一。然而，目前现有的超表面近场复用技术多是基于线偏光的偏振方向来进行强度的调制，从而实现近场图像的复用显示，但是上述基于线偏光偏振方向的复用技术仅仅只使用了光波偏振信息的一部分，故其信息通道数有限，而如何扩充超表面近场复用技术的信息通道维度，使其复用信息呈指数的增加时目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种一种用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法，该方法制备的超表面材料能扩充超表面近场复用技术的信息通道维度，使得复用信息呈指数的增加。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法，包括如下步骤：
S1：构建超表面阵列，所述超表面阵列包括周期性排布地多个纳米砖结构单元，每个纳米砖结构单元包括基底工作面以及设置在基体工作面上的纳米砖，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为α(x,y)；
S2：优化得到以工作波长的线偏振光垂直入射时其功能等效为半波片的纳米砖结构单元的多组备选尺寸参数；
S3：设计复用图像一，并根据其显示要求的振幅分布和相位分布计算其上各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位再设计复用图像二，并根据其显示要求的振幅分布和相位分布计算其上各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位
S4：根据步骤S3得出的复用图像一对应的各纳米砖结构单元干涉记录的相位和复用图像二对应的各纳米砖结构单元干涉记录的相位计算超表面阵列中各纳米砖结构单元的几何相位Φ(x,y)和传输相位Ψ(x,y)，再根据几何相位Φ(x,y)计算得到各纳米砖结构单元的纳米砖转向角为α(x,y)；
S5：根据步骤S4中得到的传输相位Ψ(x,y)分布从步骤S1得到的多组备选尺寸参数中选出超表面阵列中各位置处的纳米砖结构单元对应的尺寸参数，再将各位置处对应尺寸参数的纳米砖结构单元按照上S4中计算出的纳米砖转向角为α(x,y)进行排布，从而获得所需的超表面材料。
进一步地，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角α(x,y)为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角。
进一步地，所述纳米砖结构单元的尺寸参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述基底工作面边长C的尺寸，且长轴L与短轴W不相等。
进一步地，步骤S3中，复用图像一中各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位的计算公式为：
式中，C为常数，A(x,y)为复用图像一显示时各像素点的振幅和相位，R(x,y)为用于干涉记录参考光的复振幅分布，令R(x,y)＝1；
复用图像二中各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位的计算公式为：
式中，C为常数，B(x,y)为复用图像二显示时各像素点的振幅和相位，R(x,y)为用于干涉记录参考光的复振幅分布，令R(x,y)＝1。
进一步地，步骤S4中，超表面阵列中的各纳米砖结构单元的几何相位Φ(x,y)计算公式为：
其中，纳米砖结构单元的转向角α(x,y)等于该纳米砖结构单元的几何相位Φ(x,y)的一半，即
超表面阵列中的各纳米砖结构单元的传输相位Ψ(x,y)计算公式为：
进一步地，所述基底工作面采用氧化铝材料制成，所述纳米砖采用晶体硅材料制成。
进一步地，工作波长为可见光波段，其中，工作波长λ＝633nm。
本发明的另一个目的是提供一种根据上述的用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法得到的超表面材料。
进一步地，以一自旋角动量的圆偏振光垂直入射所述超表面材料，在超表面材料的近场显示复用图像一，改变该入射圆偏振光的自旋角动量，在超表面材料的近场显示复用图像二。
本发明还提供一种根据上述的用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法得到的超表面材料。
进一步地，以工作波长的线偏振光垂直入射所述超表面材料，在超表面材料的近场同时显示复用图像一和复用图像二。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明将自旋角动量应用到复用技术中，从而大大扩充了超表面近场复用技术的信息通道维度，使得复用信息呈指数的增加；
2)本发明中的相位算法计算简单，不需要多步迭代算法，对计算的要求很低，为近场复用技术提供了新的设计自由，此外，本发明的近场自旋角动量复用技术有着与偏振方向等其他近场复用完全不同的原理，复用通道之间不存在串扰，安全性极强，可广泛的应用于信息存储等领域，具有广阔的应用前景度。
附图说明
图1是本发明实施例中纳米砖结构单元的结构示意图；
图2是本发明实施例中三种不同尺寸参数的纳米砖结构单元的偏振转换反射率示意图；
图3是本发明实施例中三种不同尺寸参数的纳米砖结构单元的传输相位分布示意图；
图4是本发明实施例中复用图像一的振幅分布和相位分布，其中(a)为振幅分布，(b)为相位分布；
图5是本发明实施例中复用图像二的振幅分布和相位分布，其中(a)为振幅分布，(b)为相位分布；
图6是本发明实施例中超表面材料的几何相位分布；
图7是本发明实施例中复用超表面材料的传输相位分布；
图8时本发明实施例在工作波长入射下近场双密钥加密技术的工作示意图；
图中，1-纳米砖，2-基底工作面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明提供一种用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法，包括如下步骤：
S1：构建超表面阵列，超表面阵列包括周期性排布地多个纳米砖结构单元，每个纳米砖结构单元包括基底工作面以及设置在基体工作面上的纳米砖，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为α(x,y)；在该步骤中，以平行于工作面的两条边的方向分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，并将纳米砖的高度方向设为Z轴，纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，纳米砖转向角α(x,y)为纳米砖的长轴L与x轴的夹角；
S2：优化得到以工作波长的线偏振光垂直入射时其功能等效为半波片的纳米砖结构单元的多组备选尺寸参数；
在本实施例中，选取可见光波段主波长λ＝633nm为近场自旋角动量复用技术的工作波长。首先，根据工作波长λ和半波片的性能要求来优化纳米砖结构单元的尺寸参数；图1所示为纳米砖结构单元的结构，该图示出了边长为C的基底工作面2以及设置在基底工作面上的纳米砖1，纳米砖的长轴为L、短轴为W、高为H，其中，纳米砖1与基底工作面2的中心在XOY平面的投影重合。且在本实施例中，纳米砖1采用晶体硅材料制成，基底工作面2采用氧化铝材料。
通过优化设计得到纳米砖结构单元1的多组备选尺寸参数大小，具体地，使当线偏光垂直入射到纳米砖结构单元1的长轴和短轴方向的反射光的相位延迟为π且振幅保持一致，也就是说，纳米砖结构单元1可等效为一个微型的半波片。半波片具有相位调控功能，当一束圆偏光通过一个转向角为α且其功能等效为半波片的纳米砖结构单元时，将会受到纳米砖结构单元的调制变成旋向相反的圆偏光，并且附加了一个±2α的几何相位延迟，此外当α＝0时，旋向相反的圆偏光会携带一个传输相位，这就是本发明中超表面的相位调制原理。
尺寸参数包括纳米砖结构单元的长轴L、短轴W、高度H、以及基底工作面边长C。本步骤利用现有的电磁仿真软件平台完成。交叉偏振指左旋圆偏振光转化为右旋圆偏振光或右旋圆偏振光转化为左旋圆偏振光；同向偏振指左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的旋向不发生变化。
本实施例中，优化后得到三组备用的尺寸参数，其中，第一组尺寸参数为：L＝160nm，W＝100nm，H＝230nm，C＝340nm；第二组尺寸参数为：L＝190nm，W＝110nm，H＝230nm，C＝340nm；第三组尺寸参数为：L＝240nm，W＝125nm，H＝230nm，C＝340nm。这里，L、W、H、C分别指反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的长度、宽度、高度、以及周期大小。三组几何参数下，反射式超表面阵列中纳米砖结构的偏振转化反射率如图2所示，传输相位曲线图见图3。
S3：设计复用图像一，并根据其显示要求的振幅分布和相位分布计算其上各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位再设计复用图像二，并根据其显示要求的振幅分布和相位分布计算其上各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位
为了方便说明，在本实施例中，复用图像一和复用图像二均设计为二值图像，当然，在别的实施例中可以根据实际需要选择其他图像作为复用图像，且在本实施例中，纳米砖结构单元的数目与复用图像像素数保持一致，即一个纳米砖单元对应着一个复用图像的像素，在本实施例中，选取复用图像大小为500*500个像素。
根据选定好的工作波长λ、复用图像一和复用图像二，计算出记录两幅复用图像对应的相位分布情况；具体地，
复用图像一显示时对应的振幅分布和相位分布如图4所示，复用图像一中各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位的计算公式为：
式中，C为常数，A(x,y)为复用图像一显示时各像素点的振幅和相位，R(x,y)为用于干涉记录参考光的复振幅分布，令R(x,y)＝1；
复用图像二对应的振幅分布和相位分布如图5所示，复用图像二中各像素点对应的纳米砖结构单元干涉记录的相位的计算公式为：
式中，C为常数，B(x,y)为复用图像二显示时各像素点的振幅和相位，R(x,y)为用于干涉记录参考光的复振幅分布，令R(x,y)＝1。
S4：根据步骤S3得出的复用图像一对应的各纳米砖结构单元干涉记录的相位和复用图像二对应的各纳米砖结构单元干涉记录的相位计算超表面阵列中各纳米砖结构单元的几何相位Φ(x,y)和传输相位Ψ(x,y)，再根据几何相位Φ(x,y)计算得到各纳米砖结构单元的纳米砖转向角为α(x,y)；
其中，几何相位Φ(x,y)的计算公式为：
超表面阵列的几何相位Φ(x,y)计算结果如图6所示；纳米砖结构单元的转向角α(x,y)等于该纳米砖结构单元的几何相位Φ(x,y)大小的一半，即
再根据计算出的两幅复用图像的相位分布和计算出各纳米砖结构单元的传输相位Ψ(x,y)，其计算公式为：
S5：根据步骤S4中得到的传输相位Ψ(x,y)分布从步骤S1得到的多组备选尺寸参数中选出超表面阵列中各位置处的纳米砖结构单元对应的尺寸参数，再将各位置处对应尺寸参数的纳米砖结构单元按照上S4中计算出的纳米砖转向角为α(x,y)进行排布，从而获得所需的超表面材料。以一自旋角动量的圆偏振光垂直入射制得的超表面材料，在超表面材料的近场显示复用图像一，改变该入射圆偏振光的自旋角动量，在超表面材料的近场显示复用图像二，具体地，如图8所示。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
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