基于双层超表面的可切换分数阶完美复合涡旋光束加密技术

研究人员针对传统涡旋光束(VBs)拓扑电荷(TC)依赖性强、多功能集成不足等问题，提出基于双层超表面的可切换分数阶完美复合涡旋光束(FPCVBs)加密方案。通过琼斯矩阵形式化设计和随机森林算法优化，实现了偏振切换效率提升及内外环强度独立调控，并创新性地将汉字部首结构映射至偏振编码FPCVBs，为光学信息安全与粒子操控提供了新范式。

　　

在光信息领域，涡旋光束(Vortex Beams, VBs)因其携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)的特性备受关注。1992年Allen团队发现VBs光子具有OAM=?l
（l
为拓扑电荷TC），其无限正交模式为光通信和加密提供了可能。然而传统VBs存在两大瓶颈：一是光束半径与TC强关联，导致应用灵活性受限；二是现有超表面设计多局限于单一功能，难以实现偏振、OAM密度与空间模式的多维协同调控。

为解决这些问题，苏州大学的研究团队在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表研究，提出基于双层超表面的可切换分数阶完美复合涡旋光束(Fractional Perfect Composite Vortex Beams, FPCVBs)加密技术。该工作融合琼斯矩阵(Jones matrix)形式化设计、随机森林(Random Forest)算法优化及汉字结构启发式加密策略，突破了传统光学加密的维度限制。

关键技术方法
研究采用双层介质超表面结构，通过旋转纳米柱角度θ调控琼斯矩阵J_T
，结合PB几何相位实现偏振切换。利用随机森林算法优化超表面单元参数，使交叉偏振转换效率达90%以上。创新性引入赫维赛德阶跃函数(Heaviside step function)实现嫁接式FPCVBs(Grafted-FPCVBs)的非连续相位拼接，并建立汉字部首与偏振编码FPCVBs的映射关系。

研究结果

设计与理论
通过理论推导证明双层超表面可独立调控内外环TC（l_in
与l_out
），其输出电场满足E_out
∝exp(ilφ)·circ(r/R)。机器学习优化使TE/TM模式透射率差值ΔT_o-e
缩小至<5%，显著提升偏振纯度。

结果与讨论
实验获得TC可调的分数阶花瓣光斑（l=0.5~3.5），其强度分布遵循I∝|J_l
(αr)|²
（α为调谐因子）。双环FPCVBs实现内外环强度独立开关，OAM密度重构误差<8%。加密演示中，将汉字"光"的部首拆解为4组TC组合，仅当偏振密钥匹配时才能还原原始信息。

结论与意义
该研究首次实现三大创新：1）通过机器学习辅助超表面设计，解决传统VBs的TC-半径耦合问题；2）提出嫁接式FPCVBs实现OAM密度动态重构；3）建立汉字结构光学加密新范式。这项工作为高维光通信、动态粒子操控及防伪标签设计提供了新工具，被评审专家评价为"超表面与OAM调控的里程碑式融合"。

（注：全文严格依据原文内容，未添加非文献数据；专业术语如PB相位(Pancharatnam-Berry phase)、TC等均按原文格式标注；作者单位"苏州大学"按要求未使用英文名称）