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龙图腾网获悉北京大学申请的专利三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116300069B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-19发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202310259892.6，技术领域涉及：G02B27/00；该发明授权三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其方法是由李智;薛泽洋;李永康;贾尚曈;陈康垚;陈建军设计研发完成，并于2023-03-17向国家知识产权局提交的专利申请。

本三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其方法。本发明通过各个纳米散射单元的内部结构来独立地控制发射光子的自旋角动量，方案与散射光相位无关；通过各个纳米散射单元的位置来控制发射光子的动量方向，方案与散射光相位有关，由于这两种方案互不影响，发射光子的自旋角动量和动量方向的控制能够独立设计；将两套分别对应于三路发射光子的超表面结构以设定的方式组合构成三路单光子发射器，能够实现三路的单光子发射，每一路发射光子的自旋角动量和动量方向都能够通独立控制；发射角最大可达53°，并且相位无关方案使自旋角动量对单光子源相对于超表面的精确位置不敏感，不再需要高精度的单光子源定位和对准技术。

本发明授权三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其方法在权利要求书中公布了：1.一种三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器，其特征在于，所述三路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器包括：金属衬底、第一超表面结构、第二超表面结构、第三超表面结构、介质间隔层和单光子源；其中，在笛卡尔坐标系下，金属衬底的上表面垂直于z轴；在金属衬底的上表面分别形成第一超表面结构、第二超表面结构和第三超表面结构；第一至第三超表面结构分别为刻在金属衬底上表面的多个纳米散射单元，每一个纳米散射单元包括刻在金属衬底上表面的两个形状相同的长方形纳米沟槽；位于半径逆时针方向的长方形纳米沟槽为第一纳米沟槽，位于半径顺时针方向的长方形纳米沟槽为第二纳米沟槽，第一和第二纳米沟槽在内侧的长边上且邻近的顶点位于以原点为中心的同一条半径上，属于第一纳米沟槽的顶点为第一顶点，属于第二纳米沟槽的顶点为第二顶点；分别在第一至第三超表面结构中，第一纳米沟槽的长边与半径的夹角作为第一纳米沟槽的取向表示为α1、α2和α3，第二纳米沟槽的长边与半径的夹角作为第二纳米沟槽的取向表示为β1、β2和β3，第二纳米沟槽的中心到原点的距离减去第一纳米沟槽的中心到原点的距离作为第一径向距离sr1、sr2和sr3；第一超表面结构位于x1y1z第一子坐标系中，第二超表面结构位于x2y2z第二子坐标系中，第三超表面结构位于x3y3z第三子坐标系中，第一至第三子坐标系共z轴且具有相同的原点；第一至第三超表面结构的第一和第二纳米沟槽的取向以及径向距离满足以下自旋角动量控制方程组： 其中，i＝1，2，3，kspp为表面等离激元的波矢，k0为真空光波矢，为第一超表面结构的纳米散射单元位于第一子坐标系的方位角，为第二超表面结构的纳米散射单元位于第二子坐标系的方位角，为第三超表面结构的纳米散射单元位于第三子坐标系的方位角，即分别为第一至第三超表面结构的第一顶点所在半径的方位角，长方形纳米沟槽的长度和宽度分别表示为l和w；纳米散射单元在结构上是各向异性的，即不同方位角上的纳米散射单元的内部结构参数不同，是一种各向异性超表面；k1为第一超表面结构的设定的发射方向的光波矢，表示第一超表面结构的设定的发射方向，设定的发射方向在x1-z平面内，第一超表面结构的设定的发射方向与z轴之间的夹角作为第一发射角θ1；k2为第二超表面结构的设定的发射方向的光波矢，表示设定的发射方向，设定的发射方向在x2-z平面内，第二超表面结构的设定的发射方向与z轴之间的夹角作为第二发射角θ2；k3为第三超表面结构的设定的发射方向的光波矢，表示第三超表面结构的设定的发射方向，设定的发射方向在x3-z平面内，第三超表面结构的设定的发射方向与z轴之间的夹角作为第三发射角θ3；其中，自旋角动量控制方程组的第三个方程中等式右边取“﹢”表示左旋圆偏振，即设定发射方向上光子的自旋角动量为正约化普朗克常数取“-”表示右旋圆偏振，即设定发射方向上光子的自旋角动量为负约化普朗克常数且第一至第三超表面结构的设定的发射方向的光波矢k1、k2和k3在金属衬底表面的投影方向之间呈120°夹角，即x1轴、x2轴和x3轴之间的夹角为120°； 第一至第三超表面结构的纳米散射单元的位置矢量r1、r2和r3分别在第一至第三超表面结构的设定的发射方向满足相长干涉条件： ksppri+δi-ki·ri＝2miπ+C0i4 其中，δ1、δ2和δ3分别为第一至第三超表面结构的纳米散射单元的散射相位，r1、r2和r3分别为第一至第三超表面结构的纳米散射单元的位置矢量r1、r2和r3的模，以纳米散射单元的第一顶点与第二顶点的中点作为纳米散射单元的位置，即r1、r2和r3分别为第一至第三超表面结构的第一顶点与第二顶点的中点至原点的距离，C01、C02和C03分别为适用于第一至第三超表面结构的所有纳米散射单元的常数，m1、m2和m3分别为整数； 第一至第三超表面结构的纳米散射单元的极坐标位置满足动量方向控制方程： 其中，第一、第二和第三超表面结构的椭圆螺旋线的起点至原点的距离r0i＝C0ikspp+λspp，λspp和λ分别表示表面等离激元波长和光波长；m1、m2和m3分别表示第一至第三超表面结构的椭圆螺旋线的圈次，分别在第一至第三子坐标系中，m1＝m2＝m3＝1,…,N，且分别在第一至第三子坐标系中，m1＝m2＝m3＝N+1,…,M，3≤N≤M-3，6≤M≤15，使得第一至第三超表面结构的纳米散射单元所在位置在空间上没有彼此交叠； 第一至第三超表面结构的纳米散射单元的散射相位δ1、δ2和δ3满足几何相位方程： 其中，θ1、θ2和θ3分别为第一至第三发射角，σ1、σ2和σ3分别表示第一至第三超表面结构的光子自旋，对于左旋圆偏振LCP光和右旋圆偏振RCP光分别取+1和-1，对应的光子自旋角动量分别为正约化普朗克常数和负约化普朗克常数根据动量方向控制方程和几何相位方程，纳米散射单元的位置是各向异性的；倾斜发射的LCP光和RCP光，动量方向控制方程的解为椭圆螺旋线，即纳米散射单元的位置以多圈椭圆螺旋线排列，各圈椭圆螺旋线共焦且焦点位于原点，LCP光和RCP光对应的多圈椭圆螺旋线的螺旋方向相反；正发射的LCP光和RCP光，动量方向控制方程的解为阿基米德螺旋线； 在刻有第一至第三超表面结构的金属衬底上设置介质间隔层，用于消除单光子源在金属表面的荧光淬灭效应；在介质间隔层上放置单光子源，单光子源位于第一至第三超表面结构的多圈纳米散射单元之内； 激发光斑照射至单光子源，使单光子源发射光子，激发金属表面的表面等离激元SPP，被激发的SPP均匀地沿金属衬底表面沿径向向各个方向传播；SPP遇到第一至第三超表面结构的纳米散射单元被散射形成散射光，各个纳米散射单元的位置矢量在设定的发射方向分别满足相长干涉条件，从而经所有第一超表面结构的纳米散射单元散射后的散射光沿第一超表面结构的设定的发射方向相干相长形成发射光斑，从而控制第一超表面结构的散射光的方向沿着第一超表面结构的设定的发射方向，并且经所有第二超表面结构的纳米散射单元散射后的散射光沿第二超表面结构的设定的发射方向相干相长形成发射光斑，从而控制第二超表面结构的散射光的方向沿着第二超表面结构的设定的发射方向，并且经所有第三超表面结构的纳米散射单元散射后的散射光沿第三超表面结构的设定的发射方向相干相长形成发射光斑，从而控制第三超表面结构的散射光的方向沿着第三超表面结构的设定的发射方向，设定的发射方向对应光子的动量方向，从而通过分别设置第一至第三超表面结构的各个纳米散射单元的排布位置独立地控制第一至第三超表面结构的散射光的动量方向，并且动量方向与来自纳米散射单元的散射光相位相关；分别位于第一至第三超表面结构内的每一个纳米散射单元满足第一至第三超表面结构各自的自旋角动量控制方程组，从一个纳米散射单元内的第一和第二纳米沟槽散射到远场的线偏振光在垂直于设定的发射方向的平面上的投影彼此正交并且具有相等的振幅，同时来自第一和第二纳米沟槽的散射光在设定的发射方向上具有±π2的相位差，使得分别来自第一至第三超表面结构内的每一个纳米散射单元的散射光在第一至第三超表面结构设定的发射方向上具有各自相同的圆偏振，即具有相同的目标偏振状态，偏振状态对应光子的自旋角动量，从而通过分别设定第一至第三超表面结构的纳米散射单元内部结构独立地控制第一至第三超表面结构的散射光的自旋角动量，并且自旋角动量与来自纳米散射单元的散射光相位无关；第一至第三超表面结构的散射光最终沿着第一至第三超表面结构的各自设定的发射方向以圆偏振的自旋角动量传播到远场，实现三路的同时并独立控制动量方向和自旋角动量的单光子发射器。

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