基于宽带可见光纳米超表面的双向全息调制方法及应用
阅读说明：本技术 基于宽带可见光纳米超表面的双向全息调制方法及应用 (Bidirectional holographic modulation method based on broadband visible light nanometer super surface and application ) 是由 李仲阳 万成伟 代尘杰 郑国兴 李子乐 万帅 李哲 时阳阳 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于宽带可见光纳米超表面的双向全息调制方法及应用。所述超表面是由多个单元结构周期性排列而成,单元结构包括基底和设置于其上的纳米砖。该方法通过设计单元结构的尺寸参数以构建超表面,可实现宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息图像显示。单个纳米砖在长宽上具有各自独立的自由度,分别对两种不同的线偏振光具有不同的响应,实现不同偏振下两幅不同图像的显示。本发明结构尺度小易于集成,可以作为非互易信息处理、光学计量和加密/解密安全性增强防伪应用的器件。(The invention discloses a bidirectional holographic modulation method based on a broadband visible light nanometer super surface and application thereof. The super surface is formed by periodically arranging a plurality of unit structures, and each unit structure comprises a substrate and nano bricks arranged on the substrate. The method can realize bidirectional holographic image display of a single-layer nano structure in a broadband visible light range by designing the size parameters of the unit structure to construct the super surface. The single nano brick has independent freedom degrees in length and width, has different responses to two different linearly polarized light respectively, and realizes the display of two different images under different polarizations. The invention has small structure scale and easy integration, and can be used as a device for enhancing anti-counterfeiting application of nonreciprocal information processing, optical metering and encryption/decryption security.)
技术领域
本发明涉及微纳光学及光学全息领域，尤其涉及一种宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息方法及应用。
背景技术
传统的基于几何光学或衍射光学的光学器件由于结构尺寸和固有光学特性的限制，用于控制光束的转向和分裂的方式相当有限。例如，通过色散衍射周期效应的闪耀光栅将不同频率的光分裂成不同的衍射角度。由于纳米加工技术的重大进展，超表面作为一类新型的平面光学元件已经创造了空前的任意操纵光学和光子学的可能性。广泛的光学应用已被迅速证明，包括纳米印刷，光束偏转/分裂，超透镜，全息和轨道角动量(OAM)束。本质上，获得各种应用的内在原理在于对于光的频率、相位、幅度和偏振态等进行控制。但是，光的另一个通用属性，即波矢方向(k方向)尚未在多功能超表面中得到充分利用。传统的超表面对于波矢量的正向和反向入射具有完全相同的光学透射和功能。对于单层超表面，由于几何对称性，对于双向入射的透射光具有相同的响应。而打破这种对称性在应用方面至关重要，例如光通信系统中的光隔离器，或用于保护大功率激光设备。因此，目前尚缺乏非互易超表面，以打破传输的对称性，并创造一个新的自由度，即在正反向入射时产生不同的双向功能。这种不对称行为主要表现为仅表现出利用色散现象，可以对光波的频率成分进行分析，例如分光计和光谱仪等。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息调制方法。本发明提供的一种宽带在可见光范围内通过单层纳米纹理双向自由加密的Janus超表面结构。
本发明提供的技术方案如下：
本发明第一方面提供基于超表面的宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息图像显示方法，步骤如下：
(1)构建用于形成超表面的单元结构：其中，所述结构为两层结构，两层包括基底和设置于其上的纳米砖；所述超表面由多个单元结构周期性排列于同一平面所构成；单元结构中纳米砖具有独立设置的尺寸参数；
(2)采用电磁仿真工具，设置工作波长对不同单元结构的尺寸进行扫描，得到不同线偏振光下纳米砖尺寸与相位的关系；
(3)设计两幅相位型全息图案，将其相位信息转化为两个偏振光下的尺寸参数，排布单元结构以构建超表面；
(4)在超表面上覆盖一层半波片膜，通过改变入射光的方向实现宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息显示。
进一步，所述步骤(1)中纳米砖和基底均为长方体结构；其中基底横截面为正方形；单元结构的基底尺寸相同。
进一步，所述单元结构的基底由折射率低且透明光学材料构建，材料包括MgF2、Al2O3、SiO2，纳米砖的材料包括TiO2、Si、Ag、Au、Cu、Al。
进一步，所述步骤(1)、(2)中尺寸参数包括纳米砖长L、宽W、高H和基底横截面边长P。
更进一步，以基底顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖沿x轴尺寸为长L，沿y轴尺寸为宽W；x偏振光入射时，相位变化由L引起；y偏振光入射时，相位变化由W引起。
进一步，所述步骤(3)中两幅全息图像信息转换为纳米砖尺寸信息的方法如下：在工作波长下，具有不同尺寸纳米砖的结构单元具有不同的相位，通过扫描获得纳米砖尺寸与相位的关系；然后建立全息图像中的像素和每个单元结构的尺寸一一对应的关系，最终实现不同偏振储存不同的全息图像信息。
进一步，在超表面上覆盖一层半波片膜，将偏振复用转换为方向复用，仅通过改变入射光的方向使得出射光形成正反两个方向显示两幅完全独立的加密全息成像。
本发明第二方面提供利用第一方面方法调制的超表面。
本发明的工作原理：
1、扫描单元结构尺寸参数
所述介质纳米砖阵列超表面，由多个纳米砖单元结构周期性阵列于一平面上构成；
所述单元结构包括两层结构，由下至上依次为基底和顶层；
其中，
基底为具有矩形顶面的方块；
顶层为纳米砖；
基底的顶面边长相同；
以基底顶面的直角边为x轴和y轴，建立xoy直角坐标系，纳米砖沿x轴尺寸为长L，沿y轴尺寸为宽W；L与W的范围为0～300nm；
所述单元结构的周期P为介质层顶面的边长；
通过电磁仿真法扫描纳米砖尺寸与相位的关系。对于基底-纳米砖结构，结构参数包括纳米砖的长L、宽W、高H以及周期P，工作模式为透射式。
2、图案信息转化
实现偏振复用的超表面时，阵列中纳米砖的长L与宽W分别对应了了一个偏振下的全息编码。优化纳米砖阵列的长宽排列尺寸，可实现对出射光场的相位调控，并设计相应的四台阶傅里叶全息。在完成超表面的构建后，在超表面上覆盖一层半波片膜，将偏振复用转换为方向复用，仅通过改变入射光的方向使得出射光可以形成正反两个方向完全独立的加密全息成像。
本发明的元件具有如下优点和有益效果：
(1)将偏振复用转换为方向复用的双通道全息术。
(2)在整个可见频率范围内实现了双方向加密的信息传输。
(3)在可见范围内具有前所未有的宽频带，并且在结构设计和制造单层纳米结构方面具有极大的简单性，而不像之前的工作那样要求多层耦合或对齐。
(4)本发明元件的单元结构具有超微尺寸，可以促进增加信息编码能力，并且全息多路复用通道，可广泛应用于电信，加密，信息处理和通信等领域。
附图说明
图1是本发明中单元结构示意图
图2是本发明中单元结构阵列排布SEM图
图3是本发明实施例中正向入射与反向入射形成不同全息图像的示意图
图4是本发明实施例中非互易全息图的光学测量设置原理图，通过样品旋转进行正反向入射
图5是本发明实施例中测量不同照明方向与波长的全息图
图中，1-纳米砖；2-基底；L为纳米砖长度、H为纳米砖的高度、W为纳米砖的宽度。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例为一种宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息显示方法及其应用。
图1示出了单元结构，为两层结构，包括基底和设置于其上的纳米转。沿x方向和y方向将具有独立尺寸参数的单元结构周期性排布，如图2所示，构成硅几何体阵列。图3展示了用于实际交通场景(交通指示牌)图像显示的双向元全息功能，即当一束偏振光从阵列的前方垂直入射到阵列表面时，光线依次经过基底、纳米砖和半波片薄膜，出射光线将会形成一幅“STOP”标志的全息图；以反方向将一束具有同样偏振方向的光垂直入射到阵列表面，光线依次经过半波片薄膜、纳米砖和基底，出射光线将会形成一幅绘有“90”的限速标志的全息图。图4展示了双向全息图的光学测量设置原理图，通过样品旋转的方式进行正反方向的入射。图5展示了在可见范围内正反向入射的选定波长(蓝色、绿色和红色)的全息图像。
为了便于理解本发明技术方案，下面将详细介绍本发明结构能实现宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息的技术原理：
玻璃基板上的纳米单元结构，沿光偏振方向的几何尺寸决定了其共振相移。基于此，本实施例设计的单层超表面包含多个不同尺寸参数的单元结构，其长度与宽度位于80nm到270nm之间。这种矩形阵列可以看作是两个独立阵列的集成。以基底顶面的直角边为x轴和y轴，建立xoy直角坐标系，纳米砖沿x轴尺寸为长L，沿y轴尺寸为宽W。一方面，x偏振入射时感受到的界面相位梯度是由纳米砖长度L的逐渐变化引起的；另一方面，y偏振入射时所感受到的相位梯度是由纳米砖宽度W的逐渐变化引起的。因此，由于不同的偏振的入射光感受到的相位变化趋势不一样，超表面在经由两个不同偏振的入射光时将会形成不同的光学性能，即偏振复用型超表面。
为了实现宽带可见光范围内单层纳米结构的双向全息，本实施例将偏振复用超表面与商用的半波片薄膜进行结合。在使用x偏振光正向入射的时候，出射光先经由偏振复用超表面形成一幅全息图，再经由半波片转化为y偏振；在使用x偏振光进行后向入射的时候，出射光先经由半波片变成y偏振，y偏振的光经由偏振复用超表面之后形成另外一幅全息图。
为了充分展示双向加密自由度，本实施例展示了方向独立的全息术，可能会在扩大信息存储和波矢多路复用方面具有广阔的应用场景。本实施例的双向非对称全息术的概念图显示了它可以同时显示在两个方向上显示两个不同的交通标志。在实际双向交通的在高速公路场景上，全息图像受到照射会投影到正向驾驶车辆的挡风玻璃上，并且展示“STOP”符号，而对于另一侧行驶的其他司机则会投影显示限速符号“90”。
综上所述，本发明提出了一种新型的双向超表面设计，该设计仅包含单层的超表面和商业化的半波片薄膜。本发明提供的调制方法依靠两个独立的纳米砖的杂交，巧妙地将偏振复用转换为方向复用。因此可以同时构形成正反两个方向完全独立的加密全息成像。因此可以作为非互易信息处理、光学计量和加密/解密安全性增强防伪应用的器件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。