CN107037713A - 一种相干可调谐的光学全息 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相干可调谐的光学全息，包括入射偏振态的相干调控和超材料编码的光学全息。偏振驻波相干调控入射到超表面的偏振态,动态显示不同偏振态下的全息像。偏振驻波由2束相向传播、偏振态正交的入射波干涉形成，依靠相位差的改变调控入射到超材料的偏振态。超材料是一种包含基底和纳米单元层的结构，改变纳米单元的空间分布对物体的相位信息进行编码，从而形成物体的相位全息图。不同偏振态的光入射到超材料所显现的全息图像不同，得到光学全息图像的偏振识别与重现，实现入射光偏振态渐变过程中的光学全息像的动态变化。
Description
技术领域
本发明属于电磁波、全息光学和电磁超材料领域,具体涉及一种相干可调谐的光学全息。
背景技术
光学全息技术是利用光的干涉与衍射原理，将物体反射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，然后通过一定的技术条件读取光波信息，形成三维像。光学全息技术的应用相当广泛，包括全息干涉计量术、全息存储、全息光学器件、全息显微术、显示全息、计算全息等等。早期的全息元件，因为只有0和π的两种简单的相位调节功能，其图像信噪比很难得到提升，因此给后续的滤波、图像处理等造成了极大的压力。
超材料是利用自然界的常规材料人工设计的复合媒质，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。超材料极大地丰富了电磁领域的研究内容，实现多种功能性器件，如完美吸收器、偏振器、滤波器和调制器等。基于超材料的光学全息元件也是超材料领域的一个研究热点。2016年，武汉大学郑国兴等人申请公开了一种基于超材料的光学全息元件(CN201510867802.7)，该全息元件的结构包括衬底及衬底工作面上周期性排列的纳米棒单元。全息元件表面由空间不同分布的纳米棒组成，这些组合分布的纳米棒对偏振光具有很强的相位控制能力，另外由于这种相位转换完全依赖于纳米棒的空间排布，因此这种超表面展现出对光波宽带调控特性。
偏振驻波是一种区别于传统能量驻波的一个新的驻波概念。偏振驻波的形成条件是两束振幅、频率、传播速度相同但偏振方向互相垂直的线偏振光相向传播干涉叠加，其特点是在驻波的不同位置能量始终不变，但驻波的偏振态随着位置的不同而变化，其理论上可以实现从线偏振到圆偏振的任一偏振状态的变化。偏振驻波在光学全息中将发挥重要的调控作用。
发明内容
针对现有技术只能对静态的、单一的入射偏振光成像的问题，本发明提供了一种利用偏振驻波调控入射光偏振态从而实现光学全息动态调控的相干可调谐的光学全息，具有加工简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，具有很高的实用价值。
本发明的目的是这样实现的：
本发明为一种相干可调谐的光学全息，包括入射偏振态的相干调控和超材料编码的光学全息，其特征在于：由入射光源、超表面全息元件，全息成像屏组成，入射光源为偏振驻波，超表面全息元件由超材料结构，信号光波，控制光波组成，超材料结构由石英玻璃基底，超表面组成，超表面为金属纳米棒结构单元层；偏振驻波相干调控入射到超表面的偏振态,动态显示不同偏振态下的全息像；改变金属纳米棒结构单元的空间分布对物体的相位信息进行编码，形成物体的相位全息图。
所述的偏振驻波由两束振幅、频率、传播速度相同但偏振方向互相垂直的线偏振光相向传播干涉叠加形成，沿着波矢方向，距离每变化一个λ或相位差变化2π为一个周期，包括不同方向的线偏振光及不同旋向的椭圆偏振光、圆偏振光，依靠相位差的改变调控入射到超表面的偏振态。
所述的偏振驻波中的偏振态沿着某一入射波波矢方向是振荡变化的，电、磁及总能量密度保持恒定。
所述的超表面在偏振驻波中变换不同位置来实现不同入偏振态，所显现的全息图像不同，得到光学全息图像的偏振识别与重现，动态显现入射光偏振态渐变过程中的全息像的光学全息，通过调控能得到任一偏振态的全息像。
所述的一种相干可调谐的光学全息同样适用于宽谱光源。
所述的金属纳米棒以一定的编码方式均匀排列于二氧化硅表面，每个金属纳米棒所占空间为一个基本相素单元，当入射光为圆偏振光时，其琼斯矢量表示为其中±i表示旋
向，经过金属纳米棒结构单元后的出射光矢量为:
圆偏振光经过纳米棒之后产生附加一个±2φ的相位延迟的旋向相反的圆偏振光；每个金属纳米棒结构单元对应于全息像的一个像素点，改变每个金属纳米棒的方位角φ，对入射光实现连续的相位调制，从而实现对物体相位信息的编码，形成物体的相位全息图。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明制作简单，加工方便，易于实现。在原有超表面全息元件的基础上，引入偏振驻波光源，偏振驻波由两束振幅、频率、传播速度相同但偏振方向互相垂直的线偏振光相向传播干涉叠加形成，所需光路简单，易于实现。
本发明可以实现不同偏振入射下光学全息的动态调控，是一种可调谐的光学全息，是一种新型的光学全息，在动态光学全息与动态成像等领域有重要的实际应用价值。
本发明操作简单，可通过改变全息元件在驻波中的位置或者改变控制光波的相位，来实现对入射光波的偏振态调控，从而经过超表面全息元件之后动态显示全息像。
本发明同时具有便携、厚度小、重量轻、容易集成等优点，较传统的光学全息设计，其对全息图像具有动态可调谐的功能，并可以得到任一偏振态的光入射下的全息像。
附图说明
图1是一种相干可调谐的光学全息的实现流程图及其设计效果图。
图2是一种相干可调谐的光学全息的偏振驻波形成原理及其特性示意图。
图3是一种相干可调谐的光学全息的超表面全息元件结构示意图。
图4是一种相干可调谐的光学全息的超表面全息元件设计效果图。
图5是一种相干可调谐的光学全息在调谐过程中几个偏振态的光入射下的全息像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述：
由图1所示，一种相干可调谐的光学全息由偏振驻波光源、超表面全息元件、全息成像屏组成，图2为偏振驻波偏振态实现相干调控原理，图3为偏振驻波与超表面的相互作用示意图。根据工作波长和成像需求确定超表面衬底和纳米棒材料，根据入射光波宽度和像素大小设计纳米棒数量，根据纳米棒对相应像素点的位相控制以及所需成像图像确定纳米棒的朝向角度，根据成像效率与成像亮暗强度确定纳米棒长宽高的最优值。依据相位编译设计的超表面全息元件在圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光入射下的全息像分别是HEU、EDU、JZJ，实现效果图为图4。通过改变信号光波与控制光波的相对相位差，可以实现入射驻波光源的偏振态，从而实现不同偏振态下全息像的显示，图5所示是几个特殊偏振态下的全息图像。本设计可以得到任一偏振态下的全息图像，并且可以实现光学全息的动态调控。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种相干可调谐的光学全息，包括入射偏振态的相干调控和超材料编码的光学全息，其特征在于：由入射光源、超表面全息元件，全息成像屏(5)组成，入射光源为偏振驻波(6)，超表面全息元件由超材料结构，信号光波(3)，控制光波(4)组成，超材料结构由石英玻璃基底(1)，超表面(2)组成，超表面(2)为金属纳米棒结构单元层；偏振驻波(6)相干调控入射到超表面(2)的偏振态,动态显示不同偏振态下的全息像；改变金属纳米棒结构单元的空间分布对物体的相位信息进行编码，形成物体的相位全息图。
2.根据权利要求1所述的一种相干可调谐的光学全息，其特征在于：所述的偏振驻波(6)由两束振幅、频率、传播速度相同但偏振方向互相垂直的线偏振光相向传播干涉叠加形成，沿着波矢方向，距离每变化一个λ或相位差变化2π为一个周期，包括不同方向的线偏振光及不同旋向的椭圆偏振光、圆偏振光，依靠相位差的改变调控入射到超表面(2)的偏振态。
3.根据权利要求2所述的一种相干可调谐的光学全息，其特征在于：所述的偏振驻波(6)中的偏振态沿着某一入射波波矢方向是振荡变化的，电、磁及总能量密度保持恒定。
4.根据权利要求3所述的一种相干可调谐的光学全息，其特征在于：所述的超表面(2)在偏振驻波(6)中变换不同位置来实现不同入偏振态，所显现的全息图像不同，得到光学全息图像的偏振识别与重现，动态显现入射光偏振态渐变过程中的全息像的光学全息，通过调控得到任一偏振态的全息像。
5.根据权利要求1所述的一种相干可调谐的光学全息，其特征在于：同样适用于宽谱光源。
6.根据权利要求4所述的一种相干可调谐的光学全息，其特征在于：所述的金属纳米棒以一定的编码方式均匀排列于二氧化硅表面，每个金属纳米棒所占空间为一个基本相素单元，当入射光为圆偏振光时，其琼斯矢量表示为其中±i表示旋向，经过金属纳米棒结构单元后的出射光矢量为:
其中φ为金属纳米棒的方位角；
圆偏振光经过纳米棒之后产生附加一个±2φ的相位延迟的旋向相反的圆偏振光；每个金属纳米棒结构单元对应于全息像的一个像素点，改变每个金属纳米棒的方位角φ，对入射光实现连续的相位调制，从而实现对物体相位信息的编码，形成物体的相位全息图。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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