CN105068396B - 一种反射式铝纳米棒阵列及利用其实现彩色全息的方法 - Google Patents

Abstract

一种反射式铝纳米棒阵列，每个铝纳米棒与其对应的氟化镁层、铝反射层和介质基底层构成单元结构；所述单元结构包括对红光、绿光、蓝光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构R、单元结构G和单元结构B；所述三种单元结构在单元结构长度方向上依次交替排列。利用其实现彩色全息的方法为：确定响应的主波长；寻找单元结构的边长、氟化镁层厚度、纳米棒的宽度、高度和长度；计算排列周期尺寸、单元数和朝向角；三种单元结构交替排布，进行彩色全息。其优点为：工艺简单，具有很高的稳定性与可靠性；每一种结构参数的铝纳米棒只对一种颜色的光进行相位调制，不同颜色的光之间没有串扰；可广泛用于真彩色三维显示、信息存储等领域。

Description

一种反射式铝纳米棒阵列及利用其实现彩色全息的方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学全息领域，尤其涉及一种反射式铝纳米棒阵列及利用其实现彩色全息的方法。

背景技术

普通照相是根据几何光学成像原理来对光的振幅进行记录，其丢失了光波的相位，因而失去了物体的三维信息。如果能够同时记录物光波的振幅和相位，使物光波波前的全部信息均得到存储，这样的图像称为“全息图”。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成具有三维感觉及视差的与原物体逼真的像，这个过程称为全息术。

传统的全息术采用激光进行干涉记录与衍射再现，其失去了物体的色调信息。彩色全息术是一种能够记录和再现原物体的色彩并具有三维立体感的一种全息技术。由于彩色全息图比单色全息图能更真实的反映物体的原始信息，因此在全息显示方面具有更加广阔的应用前景，清晰明亮的彩色全息图一直是全息显示研究的重要方面。

随着计算机技术的发展，研究者们把通讯理论中的抽样理论应用到了空间滤波器的计算机合成中，奠定了计算全息技术的理论基础，并于1966年做出了世界上第一张计算全息图。计算全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能制造出综合复杂的、或者实际不存在的物体的全息图，其具有独特的优点和极大的灵活性。许多研究人员提出了制作彩色计算全息图的方法，这些彩色计算全息图重构的方法主要是基于三基色全息图的叠加。对红、绿、蓝三色分别进行编码以产生三个分立的全息图，然后将这三个分立的全息图并排放置以叠加产生彩色全息图像。由于放置位置具有一定的横向位移，故对应全息图产生的三个分立的单色图像叠加的彩色全息图像只能在很小的深度范围内保持良好的清晰度，极大的限制了彩色全息的效果与使用范围。

近年来，多种新的实现彩色全息的方法得到提出，如“Design and fabricationof stacked,computer generated holograms for multicolor imagegeneration.Thomaset al.APPLIED OPTICS.Vol.46,No.22.August 2007”中论述了一种叠层结构以实现彩色全息，“Plasmonic nanoparticle scattering for colorholograms.Yunuen Montelongo et al.APPLIED PHYSICAL SCIENCES.Vol.111.No.35.September,2014”中在一个像素内集成两种结构以实现对不同颜色的响应。然而，前者论述的叠层结构制造复杂，后者只对红、蓝色有作用，不能实现真彩色全息。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是通过一种新的铝纳米棒阵列排布，并利用其实现一种能再现出逼真的真彩色全息图像的方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种反射式铝纳米棒阵列，包括介质基底层，所述介质基底层上依次设有铝反射层和氟化镁层，所述氟化镁层上设有若干个铝纳米棒，每个铝纳米棒与其对应的氟化镁层、铝反射层和介质基底层构成单元结构；所述单元结构为对红光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构R、对绿光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构G或对蓝光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构B；所述单元结构R、单元结构G和单元结构B在单元结构长度方向上依次交替排列。

所述单元结构的长度与宽度相同，且均为亚波长尺度。

所述铝纳米棒为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸。

所述铝纳米棒的相位由G-S算法计算得到。

所述铝纳米棒的高度与宽度相同。

所述每个铝纳米棒的朝向角不同。

所述单元结构R、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒的长度不同。

所述单元结构R、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒均按周期排布；所述单元结构R、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒在单元结构长度或宽度上的周期尺寸满足以下公式：d_x＝mλ/(2tan(θ_x/2))，d_y＝nλ/(2tan(θ_y/2))，所述d_x为d_Rx、d_Gx或d_Bx，m为m_R、m_G或m_B，λ为λ_R、λ_G或λ_B，θ_x为θ_Rx、θ_Gx或θ_Bx，d_y为d_Ry、d_Gy或d_By，n为n_R、n_G或n_B，θ_y为θ_Ry、θ_Gy或θ_By，其中d_x与d_y分别为铝纳米棒在单元结构长度和宽度上的周期尺寸，d_Rx、d_Gx、d_Bx、d_Ry、d_Gy、d_By分别为单元结构R中、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒在单元结构长度或宽度上的周期尺寸，m和n分别为铝纳米棒在单元结构长、宽方向上对λ产生的全息图像的像素数，m_R、m_G、m_B、n_R、n_G或n_B分别为铝纳米棒在单元结构长、宽方向上对λ_R、λ_G或λ_B产生的全息图像的像素数，λ为响应的主波长，λ_R、λ_G或λ_B分别为对红、绿、蓝光窄带响应的主波长，θ_x、θ_y分别为铝纳米棒在单元结构长、宽方向上像的投影角度，θ_Rx、θ_Gx、θ_Bx、θ_Ry、θ_Gy或θ_By分别为单元结构R中、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒在单元结构长、宽方向上像的投影角度。

所述单周期内单元结构长、宽方向的对λ响应的单元数满足公式M＝d_x/C，N＝d_y/(3C)，d_x为d_Rx、d_Gx或d_Bx,d_y为d_Ry、d_Gy或d_By，其中M和N为单周期内单元结构长、宽方向的对λ响应的单元数，M_R、M_G、M_B、N_R、N_G或N_B为单周期内单元结构长、宽方向的对λ_R、λ_G或λ_B响应的单元数，C为单元结构的边长。

一种利用上述反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法，包括如下步骤：

(1)确定红、绿、蓝光窄带响应主波长λ_R、λ_G、λ_B；

(2)分别针对三种主波长，以左旋或者右旋圆偏光垂直照射纳米棒单元基本结构确定带宽窄、交叉偏振转化效率高，且同向偏振转化效率最低时的单元结构的边长C、氟化镁层厚度d、纳米棒的宽度W、高度H和长度L；

(3)根据公式计算主波长为λ_R时，能对其窄带响应的铝纳米棒的在长度和宽度上的排列周期尺寸d_Rx和d_Ry；其中m_R、n_R为长、宽方向上对λ_R产生的全息图像的像素数，即对λ_R产生的总的像素数为m_R×n_R。θ_Rx、θ_Ry为长、宽方向上像的投影角度；

(4)依据公式M_R＝d_Rx/C，N_R＝d_Ry/(3C)得到单周期内单元结构长、宽方向的对λ_R响应的单元数M_R和N_R；

(5)采用G-S算法，得到对λ_R响应的单元结构相位分布，得到这些单元结构内铝纳米棒的朝向角φ；

(6)仿照步骤(3)(4)(5)得到波长为λ_G、λ_B时的d_Gx、d_Gy、d_Bx、d_By、M_G、N_G、M_R、N_R及对λ_G、λ_B响应的单元结构内铝纳米棒的朝向角；

(7)沿单元结构长度方向上将三种铝纳米棒依次交替排列，沿单元结构宽度方向上的铝纳米棒长宽高不变；

(8)采用波长为λ_R、λ_G、λ_B的红、绿、蓝光波照射反射式铝纳米棒阵列，即得彩色全息图。

一种利用反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法，包括两个方面，一是对红、绿、蓝光分别具有窄带响应、从而能独立的对三种光的相位进行任意调节的单元结构，二是能使三个单色全息图像叠加成彩色全息图像的单元结构排列方式。

所述的对红、绿、蓝光分别具有窄带响应的单元结构由介质基底层、铝反射层、氟化镁层、铝纳米棒构成，单元结构长、宽相等且均为亚波长尺度。

所述铝纳米棒为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸。对红、绿、蓝光分别具有窄带响应的三种单元结构中铝纳米棒高度与宽度相同，长度不同。

所述铝纳米棒通过其朝向角的不同来对其响应的波长进行任意相位调节。

所述单元结构排列方式为，沿单元结构长度方向上三种铝纳米棒依次交替排列，沿单元结构宽度方向上的铝纳米棒长宽高不变，仅朝向角发生变化。

所述三种铝纳米棒均按照各自的周期尺寸周期排列。

利用上述反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法，包括以下步骤：

(1)确定红、绿、蓝光窄带响应主波长λ_R、λ_G、λ_B；

(2)采用电磁仿真软件，分别针对三种主波长，以左旋或者右旋圆偏光垂直照射纳米棒单元基本结构确定带宽窄、交叉偏振转化效率高，且同向偏振转化效率最低时的单元结构的边长C、氟化镁层厚度d、纳米棒的宽度W、高度H和长度L(三种主波长对应纳米棒长度分别为L_R、L_G、L_B)；

(3)根据公式计算主波长为λ_R时，能对其窄带响应的铝纳米棒的排列周期尺寸。其中m_R、n_R为长、宽方向上对λ_R产生的全息图像的像素数，即对λ_R产生的总的像素数为m_R×n_R。θ_Rx、θ_Ry为长、宽方向上像的投影角度。

(4)依据公式M_R＝d_Rx/C,N_R＝d_Ry/(3C)得到单周期内单元结构长、宽方向的对λ_R响应的单元数M_R和N_R。

(5)采用G-S算法，得到对λ_R响应的单元结构相位分布，从而得到这些单元结构内铝纳米棒的朝向角φ。

(6)仿照步骤(3)(4)(5)得到波长为λ_G、λ_B时的d_Gx、d_Gy、d_Bx、d_By、M_G、N_G、M_R、N_R及对λ_G、λ_B响应的单元结构内铝纳米棒的朝向角。

(7)沿单元结构长度方向上将三种铝纳米棒依次交替排列，沿单元结构宽度方向上的铝纳米棒长宽高不变。

(8)采用波长为λ_R、λ_G、λ_B的红、绿、蓝光波照射反射式铝纳米棒阵列，即得彩色全息图。

纳米棒位相调节原理为：

在纳米棒层上建立xoy坐标系后，纳米棒的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，长轴与x轴的夹角为朝向角φ，其用于调节位相。入射在纳米棒的左旋或者右旋圆偏光束，反射光旋向相反，同时将经历2φ的位相延迟。因此通过调整φ的大小(也就是纳米棒在xoy坐标平面内的朝向角)，就可以调节和控制出射光的位相。

采用能分别对红、绿、蓝光窄带响应的铝纳米棒可以分别实现对红、绿、蓝光的相位调节，从而实现彩色全息。

和目前已经实现的或被报导的彩色全息相比，本发明所涉及的一种利用反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法具有以下优点和积极效果：

1、只需改变铝纳米棒的转动方向即可实现2π范围内位相调制，可等效于任意台阶数的浮雕位相调制结构，工艺简单，对加工误差容忍度好，具有很高的稳定性与可靠性。

2、三种结构参数的铝纳米棒分别对红、绿、蓝光窄带响应，每一种结构参数的纳米棒只对一种颜色的光进行相位调制(对一种颜色有响应的纳米棒长宽高相同，只有转动角度是随空间分布的。与对其他颜色响应的纳米棒在长度上是不同的)，不同颜色的光之间没有串扰。

3、产生的红、绿、蓝三种单色的全息图像共光轴，故其能在很大的深度范围内保持良好的清晰度。

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俯视图。

图3是本发明实施例中针对λ_R优化得到的铝纳米棒波长响应图。

图4是本发明实施例中针对λ_G优化得到的铝纳米棒波长响应图。

图5是本发明实施例中针对λ_B优化得到的铝纳米棒波长响应图。

图6是本发明中三种铝纳米棒排列方式示意图。

图7是本发明实施例中得到的红光全息仿真效果图。

图8是本发明实施例中得到的绿光全息仿真效果图。

图9是本发明实施例中得到的蓝光全息仿真效果图。

图10是本发明实施例中得到的彩色全息仿真效果图。

图中，1-铝纳米棒；2-氟化镁层；3-铝反射层；4-介质基底层；L为纳米棒长度，W为纳米棒宽度，H为纳米棒高度，C为单元结构的边长，φ为纳米棒朝向角。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例为一种利用反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法的具体实施过程。

作为实施例，首先选取红、绿、蓝光窄带响应主波长λ_R＝643nm、λ_G＝537nm、λ_B＝465nm。

然后，分别针对三种主波长，采用电磁仿真软件Comsol对单元结构参数进行仿真，仿真以左旋(或者右旋)圆偏光垂直入射、以反射的右旋(或者左旋)圆偏光的转化效率及响应带宽作为优化对象。扫描单元结构长宽尺寸C、氟化镁层厚度d、铝纳米棒宽度W和高度H、三种主波长下铝纳米棒长度L_R、L_G、L_B，以期获得最佳参数。要求每种铝纳米棒仅对主波长附近窄带宽内波段响应，且交叉偏振(左旋→右旋，或右旋→左旋)转化效率最高、同向偏振(左旋→左旋，或右旋→右旋)转化效率最低。经优化计算，得到优化参数为：C＝300nm，d＝15nm，W＝35nm，H＝40nm，L_R＝125nm，L_G＝97nm、L_B＝77nm。图1是单元结构示意图。图2是单元结构俯视图。图3至图5分别是三种优化得到的铝纳米棒对偏振光转化效率随波长变化图，可以看出在对应的中心波长窄带范围内实现了交叉偏振的高效率转化、且同时实现了同向偏振的有效抑制，在中心波长窄带范围外对光波几乎不产生响应。

根据全息图像要求计算三种铝纳米棒单元结构的排列周期的尺寸，对于λ_R＝643nm，选取θ_Rx＝25°，θ_Ry＝82°，m_R＝151，n_R＝594，即得到d_Rx＝216.3μm，d_Ry＝216μm，从而得到M_R＝721，N_R＝240。采用G-S算法，得到对λ_R响应的单元结构相位分布，从而得到这些单元结构内铝纳米棒的朝向角φ。

类似的，对于λ_G＝537nm、λ_B＝465nm，选取θ_Gx＝θ_Bx＝25°，θ_Gy＝θ_By＝82°，m_G＝m_B＝151，n_G＝n_B＝594，得到M_G、N_G、M_B、N_B。采用G-S算法，分别得到对λ_G、λ_B响应的单元结构相位分布，从而得到这些单元结构内铝纳米棒的朝向角φ。

沿单元结构长度方向上将三种铝纳米棒依次交替排列，沿单元结构宽度方向上的铝纳米棒长宽高不变。即相同结构参数的铝纳米棒在沿单元结构长度方向上距离为3C，沿单元结构宽度方向上距离为C。如图6所示。

采用本发明中一种利用上述反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法得到的红、绿、蓝单色全息仿真效果分别如图7、8、9所示，三者合成之后的彩色全息效果如图10所示。

Claims (10)

1.一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：包括介质基底层，所述介质基底层上依次设有铝反射层和氟化镁层，所述氟化镁层上设有若干个铝纳米棒，每个铝纳米棒与其对应的氟化镁层、铝反射层和介质基底层构成单元结构；所述单元结构为对红光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构R、对绿光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构G或对蓝光具有窄带响应的单元结构，记为单元结构B；所述单元结构R、单元结构G和单元结构B在单元结构长度方向上依次交替排列。

2.根据权利要求1所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述单元结构的长度与宽度相同，且均为亚波长尺度。

3.根据权利要求2所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述铝纳米棒为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸。

4.根据权利要求3所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述铝纳米棒的相位由G-S算法计算得到。

5.根据权利要求3或4所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述铝纳米棒的高度与宽度相同。

6.根据权利要求5所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述每个铝纳米棒的朝向角不同。

7.根据权利要求3或6所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述单元结构R、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒的长度不同。

8.根据权利要求7所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：所述单元结构R、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒均按周期排布；所述单元结构R、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒在单元结构长度或宽度上的周期尺寸满足以下公式：d_x＝mλ/(2tan(θ_x/2))，d_y＝nλ/(2tan(θ_y/2))，所述d_x为d_Rx、d_Gx或d_Bx，m为m_R、m_G或m_B，λ为λ_R、λ_G或λ_B，θ_x为θ_Rx、θ_Gx或θ_Bx，d_y为d_Ry、d_Gy或d_By，n为n_R、n_G或n_B，θ_y为θ_Ry、θ_Gy或θ_By，其中d_x与d_y分别为铝纳米棒在单元结构长度和宽度上的周期尺寸，d_Rx、d_Gx、d_Bx、d_Ry、d_Gy、d_By分别为单元结构R中、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒在单元结构长度和宽度上的周期尺寸，m和n分别为铝纳米棒在单元结构长、宽方向上对λ产生的全息图像的像素数，m_R、m_G、m_B、n_R、n_G或n_B分别为铝纳米棒在单元结构长、宽方向上对λ_R、λ_G或λ_B产生的全息图像的像素数，λ为响应的主波长，λ_R、λ_G或λ_B分别为对红、绿、蓝光窄带响应的主波长，θ_x、θ_y分别为铝纳米棒在单元结构长、宽方向上像的投影角度，θ_Rx、θ_Gx、θ_Bx、θ_Ry、θ_Gy或θ_By分别为单元结构R中、单元结构G和单元结构B中的铝纳米棒在单元结构长、宽方向上像的投影角度。

9.根据权利要求8所述一种反射式铝纳米棒阵列，其特征在于：单周期内单元结构长、宽方向的对λ响应的单元数满足公式M＝d_x/C，N＝d_y/(3C)，d_x为d_Rx、d_Gx或d_Bx,d_y为d_Ry、d_Gy或d_By，其中M和N为单周期内单元结构长、宽方向的对λ响应的单元数，M_R、M_G、M_B、N_R、N_G或N_B为单周期内单元结构长、宽方向的对λ_R、λ_G或λ_B响应的单元数，C为单元结构的边长。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述反射式铝纳米棒阵列实现彩色全息的方法，包括如下步骤：

(1)确定红、绿、蓝光窄带响应主波长λ_R、λ_G、λ_B；

(2)分别针对三种主波长，以左旋或者右旋圆偏光垂直照射纳米棒单元基本结构确定带宽窄、交叉偏振转化效率高，且同向偏振转化效率最低时的单元结构的边长C、氟化镁层厚度d、纳米棒的宽度W、高度H和长度L；

(3)根据公式计算主波长为λ_R时，能对其窄带响应的铝纳米棒的在长度和宽度上的排列周期尺寸d_Rx和d_Ry；其中m_R、n_R为长、宽方向上对λ_R产生的全息图像的像素数，即对λ_R产生的总的像素数为m_R×n_R， θ_Rx、θ_Ry为长、宽方向上像的投影角度；

(4)依据公式M_R＝d_Rx/C，N_R＝d_Ry/(3C)得到单周期内单元结构长、宽方向的对λ_R响应的单元数M_R和N_R；

(5)采用G-S算法，得到对λ_R响应的单元结构相位分布，得到这些单元结构内铝纳米棒的朝向角φ；

(6)仿照步骤(3)(4)(5)得到波长为λ_G、λ_B时的d_Gx、d_Gy、d_Bx、d_By、M_G、N_G、M_R、N_R及对λ_G、λ_B响应的单元结构内铝纳米棒的朝向角；

(7)沿单元结构长度方向上将三种铝纳米棒依次交替排列，沿单元结构宽度方向上的铝纳米棒长宽高不变，即得反射式铝纳米棒阵列；

(8)采用波长为λ_R、λ_G、λ_B的红、绿、蓝光波照射反射式铝纳米棒阵列，即得彩色全息图。