阅读说明：本技术 消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法 (Design method of amplitude type super surface computer hologram for eliminating zero-order light ) 是由 李子乐 郑国兴 邓娟 单欣 李仲阳 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法。通过构建新的振幅分布函数,借助于超表面纳米砖的振幅调控特性消除了振幅型计算全息零级像,以获得清晰,无零级,具有较高成像质量的再现像。本发明可应用于高端防伪、图像显示等领域。(The invention discloses a design method of an amplitude type super-surface computer hologram for eliminating zero-order light. By constructing a new amplitude distribution function, the amplitude type calculation holographic zero-order image is eliminated by virtue of the amplitude regulation and control characteristic of the super-surface nano brick, so that a clear, zero-order-free and high-imaging-quality reproduced image is obtained. The invention can be applied to the fields of high-end anti-counterfeiting, image display and the like.)

消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及图像显示的技术领域，具体涉及一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法。

背景技术

普通照相是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度，将空间物体成像在一个平面上，由于丢失了光波的相位，因而失去了物体的三维信息。光学全息利用干涉原理将物体发出的光波以干涉条纹的形式记录，由于在记录介质中储存了物光波的振幅和相位信息，从而能形成与原物体逼真的三维像。然而传统的全息具有很强的零级光，极大的影响了再现像的成像质量，干扰了对再现像的观察。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法，通过该方法设计得到的振幅型计算全息能够消除零级像，提高衍射效率，提升图像的成像质量。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)消除振幅型计算全息零级像的原理

首先根据远场的目标影像和优化算法，如GS算法，得到计算全息片上的原始振幅分布f(x，y)。则远场全息图像的振幅分布为：

由上式(1)可知，远场全息图像的零级像为：

综合(1)-(2)，若

则f′的远场全息图像分布为：

当u＝v＝0时，F1(0，0)＝F(0，0)-A₀＝0；因此，f′的远场全息图即为f(x，y)的消去零级的远场全息图；根据上述原理，根据公式可以重新计算得到全息片上的新的振幅分布f′(x，y)；由于f′(x，y)的值域范围是(-1,1)。因此想要消除零级还需要找到能记录负振幅的介质。

(2)超表面振幅调控原理

假设纳米砖琼斯矩阵为

旋转角为θ，入射光为线偏振光，琼斯矩阵为

则经纳米砖后出射光琼斯矢量为：

化简得：

对于(5)式，当用检偏方向为α₂的检偏器检偏时，出射光的琼斯矩阵为：

此时透射光强为：

当起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向垂直时，透射光强为：

则出射光的振幅为：

若纳米砖为起偏器，则A＝0，B＝1或者A＝1，B＝0，则在纳米砖起偏器转角范围[0°,180°]内，能够实现[-1/2,1/2]范围的连续振幅调控。若纳米砖为半波片，则A＝1，B＝-1，则在纳米砖起偏器转角范围[0°,180°]内，能够实现[-1,1]范围的连续振幅调控。当纳米砖为起偏器时，透射光的出射光强为1/4sin(2θ-2α₁)，当纳米砖为半波片时，透射光的出射光强为sin(2θ-2α₁)，因此基于纳米砖半波片设计的消零级计算全息片相比基于纳米砖起偏器设计的消零级计算全息片具有更高的衍射效率。

(3)纳米砖结构参数优化

纳米砖单元结构包括基底、设置在所述基底上的纳米砖，基底与纳米砖的交界面为工作面。所述纳米砖与所述基底形成纳米砖结构单元。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，所述纳米砖上与所述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θ为所述纳米砖的长轴L与x轴方向的夹角；

所述的纳米砖单元结构可以为任意各向异性的结构。若纳米砖为起偏器，则优化纳米砖起偏器的单元结构参数的方法为：以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射且偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射或者以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生透射且偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生反射为优化目标，在工作波长下扫描所述纳米砖起偏器单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖单元结构的结构参数。

若纳米砖作为一个半波片，则优化纳米砖半波片的单元结构参数的方法为：以工作波长的圆偏振光垂直入射至所述纳米砖结构单元，出射光的交叉偏振效率不低于80％且出射光的同向偏振效率不高于5％为优化目标，在工作波长下扫描所述纳米砖结构单元，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数；

基于上述的原理，可以按照以下步骤实现基于超表面材料的振幅型计算全息零级像消除设计：

(1)首先根据远场的目标影像和优化算法，得到计算全息片上的原始振幅分布f(x,y)。

(2)依据消除振幅型计算全息零级像的原理，设计全息片上的新的振幅分布f′(x，y)。

(3)根据所设计的新的振幅分布f′(x，y)计算得出所述超表面结构阵列中每个所述构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述结构单元上的计算得到的各位置处对应的所述纳米砖转向角θ值进行排布，从而获得能消除零级的远场振幅型全息的超表面材料。

(4)在光路中配置起偏器和检偏器，起偏器置于超表面结构之前用于产生线偏光，检偏器用于超表面结构之后，用于统一出射光的偏振方向。当起偏器与检偏器的方向垂直时，可以在远场形成消零级的振幅计算全息像。

本发明第二方面提供一种上述的基于超表面材料的振幅型计算全息零级像消除方法在设计超表面材料中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点及有益效果：

1)本发明所提出的基于超表面材料的振幅计算全息零级像消除方法可以有效的消除再现全息图像的零级，提高衍射效率，提升全息图像的影像质量。因此具有非常广阔的应用前景；

2)本发明的纳米砖结构单元的尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的超表面具有体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。

3)本发明所提出的基于超表面材料的振幅计算全息零级像消除方法不仅可以适用于菲涅尔全息设计也适合于傅里叶全息设计。

4)本发明所提出的基于超表面材料的振幅计算全息零级像消除方法，超表面单元结构的可以为任意各向异性结构。因此对制造误差不敏感。

5)利用超表面半波片结构去设计振幅型计算全息，可以很好的消除零级。利用超表面半波片结构去设计振幅型计算全息不仅能够消除零级，还能够提高衍射效率。相比基于超表面起偏器结构设计的全息片，其衍射效率可以高出4倍。

6)利用本发明提出的方法设计出的振幅型计算全息片在宽带波长范围都能实现零级像消除，且影像对比对不变。

附图说明

图1为本发明中超表面结构阵列的效果示意图；

图2为本发明中超表面结构单元的结构示意图；

图3为本发明中纳米砖起偏器透反射率随波长变化扫描结果图；

图4为本发明中远场目标全息图像1；

图5为基于纳米起偏器设计的未消除零级像的全息图像；

图6为本发明中基于纳米砖起偏器设计的消除零级像的全息图像。

图7为本发明中纳米砖半波片透射率随波长变化扫描结果图；

图8为本发明中远场目标全息图像2；

图9为本发明中基于纳米半波片设计的未消除零级像的全息图像；

图10为本发明中基于纳米半波片设计的消除零级像的全息图像。

具体实施方式

以下结合具体附图和具体实施例来对本发明作进一步地详细阐述。

实施例1：【纳米砖起偏器】

鉴于传统全息在应用时存在的缺陷，本发明提出了一种基于超表面的振幅型计算全息零级像消除方法，下面结合本实施例对发明进行更加详细的说明：

该超表面阵列包括多个超表面单元结构，其中超表面阵列的结构示意图如图1所示。所有的纳米砖单元的几何尺寸相同，仅仅旋转角不同；相邻的纳米砖单元结构的中心间隔均相同。超表面单元结构的示意图如图2所示。由图2可知，超表面单元结构包括基底2、沉积在基底上的纳米砖1。纳米砖1与基底2构成纳米砖单元结构。其中，基底由熔融石英玻璃材料制成，纳米砖由银材料制成。

为了使超表面的功能等效为起偏器，可以通过优化纳米砖单元结构的结构参数使得以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光入射时发生反射，偏振方向沿第纳米砖短轴的线偏振光入射时发生透射。

具体地，以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，以沿着纳米砖长轴和短轴方向的线偏光同时垂直入射纳米砖单元结构，以沿着纳米砖长轴方向的光反射效率最高且沿着纳米砖短轴方向的光的透射效率最高为优化目标，优选得到的第二纳米砖结构单元的参数为：长轴L＝125nm、短轴W＝60nm、H＝70nm以及工作面边长C＝400nm。在该结构参数下，纳米砖结构单元对分别沿其长轴和短轴方向振动的两偏振态正交的线偏振光的反射和透射效率结果如图3所示，其中Rx、Ty分别代表沿纳米砖结构单元的长轴方向振动的线偏振光的反射率和沿短轴方向振动的线偏光的透射率，Ry、Tx分别表示沿纳米砖短轴方向振动的线偏振光的反射率和沿纳米砖长轴方向振动的线偏振光透射率。由图3可知，在入射光波长在600nm到650nm之间时，Rx和Ty的数值相对较高，Ry和Tx的数值相对较低。尤其是在工作波长633nm下，Rx约为80％。Ty接近100％，Ry和Tx低于3％。由此可知，该优化后的纳米砖结构单元可以等效为起偏器的功能。

首先根据远场的目标影像(图4)和优化算法，得到计算全息片上的振幅分布f(x，y)，则基于该全息片设计的远场全息图像振幅分布为：

图5为其理论上的远场全息图像。有图可知，零级占据了大量的能量(红色圆圈内)，目标图像由于能量太弱，所以仅仅能看到图像中心处的一个亮点，目标图像很难观测到。

构建新的振幅分布f′(x，y)＝f(x，y)-A₀/MN，其中

由于f′的远场全息图像振幅分布为

当u＝v＝0时，F1(0，0)＝F(0，0)-A₀＝0；因此，f′的远场全息图即为f(x，y)的消去零级的远场全息图；根据上述原理，根据公式

可以重新计算得到全息片上的新的振幅分布f′(x，y)；

基于新构建的振幅分布f′(x，y)计算得出所述超表面结构阵列中每个所述构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述结构单元上的计算得到的各位置处对应的所述纳米砖转向角θ值进行排布，从而获得能消除零级的远场振幅型全息的超表面材料。图6为按照新构建的振幅分布f′(x，y)理论计算得出的远场全息图像。

实施例2：【纳米砖半波片】

纳米砖半波片的单元结构示意图也如图2所示。以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，对纳米砖以圆偏振光垂直入射，在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括L、W、H、C，以透射交叉偏振效率高和透射的同向偏振效率低为优化目标。优选得到的第一纳米砖结构单元的参数为：L＝150nm，W＝60nm，H＝385nm，C＝300nm。在该结构参数下，纳米砖的透射同向偏振转换效率和透射反向偏振转换效率如图7所示。其中T_Cross为透射反向偏振转换效率，T_Co为透射同向偏振转换效率。由图7可知，在工作波长633nm处，T_Cross高于87％，T_Co不到1％，表明，该优化后的纳米砖单元结构可以等效为半波片的功能。

首先根据远场的目标影像(图8)和优化算法，得到计算全息片上的振幅分布f(x，y)，则基于该全息片设计的远场全息图像振幅分布为：

图9为其理论上的远场全息图像。有图可知，零级占据了大量的能量(红色圆圈内)，目标图像由于能量太弱，所以仅仅能看到图像中心处的一个亮点，目标图像很难观测到。

构建新的振幅分布f′(x，y)＝f(x，y)-A₀/MN，其中

由于f′的远场全息图像振幅分布为

当u＝v＝0时，F1(0，0)＝F(0，0)-A₀＝0；因此，f′的远场全息图即为f(x，y)的消去零级的远场全息图；根据上述原理，根据公式

可以重新计算得到全息片上的新的振幅分布f′(x，y)；

基于新构建的振幅分布f′(x，y)计算得出所述超表面结构阵列中每个所述构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述结构单元上的计算得到的各位置处对应的所述纳米砖转向角θ值进行排布，从而获得能消除零级的远场振幅型全息的超表面材料。图10为按照新构建的振幅分布f′(x，y)理论计算得出的远场全息图像。