基于超表面波带片的远场偏振全息加密

超表面是一种具有灵活的偏振操纵功能的新型材料。为了获得远场偏振全息图像,通常需要添加透镜等光学元件。笔者利用超表面波带片的灵活偏振操纵及聚焦功能实现了一种新颖的远场偏振全息加密技术。在该技术中,两个自旋复用的超表面波带片被集成到单个介质超表面器件中,其中超表面的振幅（右旋圆偏振转化率）用来编码奇数和偶数环形区域的波带片,而其相位调制则用来编码透射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的两个全息图。此外,二维码（QR码）和振幅型/相位型全息图用于进一步隐藏加密信息,以提高信息的安全性。所提加密技术有望进一步提升数据安全性和隐私保护水平,推动光学信息加密和高密度数据存储等领域的技术发展。     

多维度超表面及其在信息加密防伪上的应用

超表面是一种厚度在亚波长或波长量级的人工层状材料。可通过调控超表面单元结构上的大小、形状、转角、位移量等自由度,实现对电磁波频率、振幅、相位、偏振等特性的灵活有效调控。超表面具有超薄、宽带、低损耗、易加工、灵活设计,功能强大等特点。文中综述了具有单维度、双维度、多维度光场调控功能的超表面及其在外部激励作用下具有主动可调特性超表面的发展历程,并特别介绍了这些超表面用于信息加密防伪领域的实现方式与优势特点。相比于传统的信息加密防伪技术,超表面信息加密防伪术具有亚波长像素,精密控制,安全系数高等特点,展现了全新视角,拥有广阔的发展前景。     

基于超表面操控的偏振信息探测技术研究进展

偏振是光的固有属性,当光与物质发生相互作用后,通过解构偏振态变化,可以获取材料组成和结构的重要信息。这一特性使得光的偏振具有很高的研究价值和应用前景。近年来,偏振成像、偏振信息等研究领域蓬勃发展,引起国内外学者的广泛关注。高效地获取偏振信息是该领域发展的关键技术,然而传统的偏振信息探测及获取方案有着各种不足,制约了偏振信息技术的持续化发展。超表面技术使得人们得以根据需求操控光的相位、振幅、偏振等,同时具有微型化和集成化的优势。文中以全矢量偏振信息的获取为出发点,以基于阿基米德螺旋结构的圆偏振探测器为引子,主要介绍基于超表面结构实现偏振信息探测技术的发展过程及研究现状,包括金属超表面偏振探测器、介质超表面偏振探测器以及超表面偏振成像等研究内容,最后展望了基于超表面结构的偏振信息探测技术未来的发展趋势。     

电磁超表面与信息超表面

电磁超材料和超表面是物理、信息与材料领域的热点与前沿,带来了许多新奇的物理现象和突破性的应用. 信息超表面作为近些年来新兴的研究方向,通过数字编码的方式来调控电磁波,构建了由物理世界通往数字世界的桥梁. 本文首先全面总结了电磁超材料与超表面的起源与发展历程;其次重点介绍了可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件的发展现状;接着系统介绍了数字编码与可编程信息超表面的基本概念和主要应用,讨论了信息超表面存在的挑战与未来展望;最后简要对电磁超表面和信息超表面的发展趋势进行了总结.     

偏振全息术在光学时钟分布中的应用

提出了采用偏振全息术制做全息光学元件以实现光学时钟分布的方法。初步实验得到了可作为4输出时钟分布的全息光学元件，文中还提出了用偏振全息术获得多输出端时钟分布的方案。     

双通道偏振复用可擦除介质型全息超表面

为进一步增强加密或存储器件的实用性与安全性,设计并实现了一种多通道偏振复用的相变全息超表面,通过在多通道全息超表面设计中引入相变介质,实现了动态的可擦除功能。当耦合相变介质层处于非晶态时,所构造的编码超表面可以产生两个独立成像的全息通道。当相变介质变为晶态时,决定相位调控的交叉偏振被关闭,对应的相位编码“被擦除”。     

基于电介质超表面的双频带双偏振通道波前调控

随着微纳加工技术的发展,超表面在亚波长尺度对电磁波的多维度调控展现出传统光学器件难以比拟的优势。基于电介质硅纳米柱结构构建了具有双频带响应的超表面,利用微结构对不同偏振入射光反射系数的差异,通过构建梯度几何相位实现了双波长下的异常反射;同时设计了超表面灰度成像阵列,在近红外波段实现了对正交偏振态和双波长入射具有不同响应的正负灰度图像。文中提出的超表面设计为基于超表面的多功能集成技术的发展奠定了基础。     

基于光学超晶格的高精度偏振控制技术

光学偏振反映了电磁场矢量的本质,如何有效操纵光的偏振是一个古老而又基本性的课题。最近.我们首次把此课题引入到一种     

基于超表面的阵列光场纵向维度信息编解码

随着大数据时代的到来,空间光通信已被广泛应用于各种通信系统中,但随之而来的是容量瓶颈的挑战。基于光场频率、时间、偏振、横向空间模式等维度调控的信息编解码方法在解决容量问题方面展现了优异性能,但光场的纵向维度却未被应用于信息编解码。针对此问题,本文提出了一种基于电介质超表面的光场纵向维度信息编解码新方法,基于四原子结构的几何相位和传输相位联合调控,实现了透射场自旋相关的复振幅调控。同时,利用光学冻结波原理产生了轨道角动量模式叠加态的纵向可控变化,并验证了光场模态的纵向调控能够以指数级提升信道中的模态容量。纵向维度作为一个全新的编码自由度,有望进一步提高自由空间光通信性能。     

红外超光谱成像偏振计

美国犹他州立大学空间动力学实验室正在制造一台红外超光谱成像偏振计(HIP).这台红外超光谱成像偏振计是设计用来在2.7μm水波段对来自云顶的反向散射太阳光进行高空间和光谱分辨率偏振测定的,它将装在红外特征技术实验飞行飞机(FISTA)--一架空军KC-135飞机上飞行.这是一台将超光谱推帚式成像技术与高速固态偏振测定方法相结合、尽可能多地采用市场上畅销的元部件并利用一种光学模型设计快速制成原型的原理验证敏感仪.它是以一台窗口可选择的256×320InSb摄像机、一台固态铁电液晶(FLC)偏振计和一个透射式衍射光栅为基础的.     

基于U型结构超构表面的光束偏转器和超透镜研究

利用超表面实现对光的操控是光学领域的研究热点之一。设计了一种U型单元结构,通过将结构以斜对称的方式放置并改变结构的几何参数,实现了透射光从0到2π的相移;采用线偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光作为入射光,通过结构优化实现了具有偏振不依赖性的光束异常折射的光束偏转器,其折射角为22.4°,并探讨了超透镜的功能,为超表面的应用提供了参考。     

基于二次相位超表面的大视场紧凑型全Stokes偏振测量方法

偏振是光的固有属性之一,然而传统的光强、光谱探测技术会造成电磁波的偏振信息的丢失。同时,基于偏振测量的器件及技术不仅存在视场局限的问题,而且系统复杂。基于介质型超表面设计了一种紧凑型大视场偏振探测器件,实现了对入射光的角度及偏振态的探测。该器件由2×2的二次相位超表面组成,每个超表面可实现对特定偏振的对称性变换,即将入射角旋转对称性转变为焦平面内焦点平移对称性。二次相位的对称性变换理论使得此文可以在宽角度范围内（-40°~+40°）通过测量焦点的偏移量实现对入射角的表征。在此基础上,分析了斜入射对测量Stokes参数的影响,得到矫正的Stokes公式。利用4个焦点的强度和矫正的Stokes公式可计算出入射光的Stokes参数。在视场角为0°、20°、40°时,测量的Stokes参数与理论值吻合良好。     

基于信息超表面的无线通信（特邀）

信息超表面由于其强大的处理空间电磁波的能力,成为国内外物理和信息领域的研究热点之一。文中主要介绍信息超表面在无线通信领域的一系列研究进展。信息超表面能实时操控电磁波及直接处理数字编码信息,并进一步对信息进行感知、理解,甚至记忆、学习和认知,这使其在无线通信领域展现出巨大潜能。文中首先介绍信息超表面在承担无线中继职能时所涉及的信道建模研究进展、以及其对信道的改善作用;其次介绍信息超表面在新体制发射机中的应用,通过对入射到信息超表面上的载波进行幅度或相位调制,实现了多种简化的发射机架构。此外,文中还介绍了利用信息超表面近场、远场以及散射场等信息,实现了多种新型无线通信系统。最后,文章对基于信息超表面的无线通信进行了总结和展望。     

编码超表面远场散射波束调控设计

针对编码超表面远场散射波束的调控，在对相互正交方向的序列进行设计的基础上，利用加法规则，可快速得到超表面的编码序列.加法规则的利用，可减少编码个数，降低设计难度，方便实现对超表面远场散射波束的设计.论文采用金属小棒结构作为超表面单元，进行了实例分析.结果表明，提出的编码序列设计方法，可以有效融合两个正交方向编码序列的散射特性，灵活调控超表面上半空间的散射场.研究方案在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景.     

通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应分析与优化

为了满足高精度偏振探测要求,通道型偏振光谱仪在设计时需要考虑望远镜组偏振效应的影响,并对其进行相应的分析和优化。首先,分析望远镜组偏振效应的影响因素,采用坐标变换和穆勒矩阵连乘法建立了考虑膜系偏振效应的望远镜组穆勒矩阵模型,并带入通道型偏振光谱仪偏振解调模型。接着,通过同时控制S光和P光的透过率和相位延迟,设计相应的低偏振效应膜系。最后,运用偏振光线追迹的方法对镀有不同膜系的望远镜组进行偏振效应仿真。仿真结果表明,在580 nm和750 nm波长处,低偏振效应膜系与高偏振效应膜系的偏振探测精度变化不明显。而在420 nm波长处,低偏振效应膜系相较于常用膜系的边缘视场偏振探测精度提高了3.22%。低偏振效应膜系可以有效降低通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应,提高仪器的偏振探测精度。     

太赫兹信息超材料与超表面

该文对信息超材料,包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述,从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力,着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用,最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件,为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。      

可增强信号覆盖范围的放大型信息超表面设计

传统信息超表面能对电磁波的幅度和相位做出动态调控,在无线中继中控制电磁波的传播方向,但并不能放大入射波的能量,因此这类超表面的工作距离受限,往往要通过较大的阵面面积来实现信号盲区的有效覆盖。为解决这一问题,提出了一种放大型信息超表面,并通过仿真验证了该信息超表面在2.7～3.1 GHz的宽带范围内具有2 bit的相位调制特性和信号放大能力。同时,通过引入功率分配和功率合成网络,使8个超表面单元组成一个1×8的阵列且只需使用一个放大器,以减少放大器的数量,从而降低硬件成本和系统能耗。仿真结果表明,所提出的放大型信息超表面阵列在宽带范围内同时实现了波束成形和信号能量放大,可应用于基于信息超表面的新型无线中继系统中,为增强无线信号覆盖和减小超表面阵面尺寸提供了一种全新的解决方案。     

基于超构表面的多维光信息加密

信息技术的发展使得信息加密变得日益重要。光学加密作为一种信息加密手段,具有多维度和高并发速度等优势。然而,传统的光学加密方案往往需要复杂和笨重的光学元件,这导致器件难以小型化和便携化,同时也降低了加密效率。超构表面是一种人工设计的二维平面结构,能够在亚波长尺度上实现对光场的灵活调控,为光学加密提供了一个灵活的平台。近年来,基于超构表面的光学加密方法不断涌现,其利用光在输入端和输出端的多维度来增加加密的复杂度和安全性。基于此,根据加密的端口类型,分别从单一输入端、单一输出端以及输入-输出端联合三个方面对这些方法进行了分析和讨论,并对超构表面光学加密的未来发展趋势进行了展望。     

可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

超密集低地球轨道卫星通信网络能弥补传统地面网络频谱资源稀缺、覆盖范围有限的不足,有潜力提供全球大规模接入的高速率服务。由于卫星的高速移动性,卫星通信对天线性能,如波束控制能力和天线增益等,也提出了更为严苛的要求。因此,对一种新型的超材料天线——可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface,RHS）辅助卫星通信展开了研究。RHS采用全息原理对超材料单元进行电控,从而实现波束成形。基于 RHS 的硬件结构和全息工作原理,提出了一种 RHS 辅助多卫星通信方案,该方案同时考虑卫星跟踪和数据传输。同时,设计了全息波束成形优化算法以最大化和速率。仿真结果验证了所提方案的有效性并表明了相较于传统相控阵天线,RHS提供了一种成本效益更高的卫星通信支持方式。