CN109991736B - 基于ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及基于Ω型共形超颖表面对于任意曲面物体的波前进行调制而实 现曲面全息的方法,属于微纳光学和全息技术领域。
背景技术
超颖表面是由周期性、准周期性或随机分布的亚波长纳米天线组成,局部的 修改电磁波的振幅、相位和偏振。通过精确的设计阵列中每个超颖表面单元的几 何参数和方位角,使得超颖表面对于入射光的波前进行调制,从而实现一些特定 的功能。此外,与许多传统光学元件相比,超颖表面具有亚波长特征尺寸,因此 具有超薄、柔性和易于制造等优点。由于超颖表面独特的光学特性,已经取得了 广泛的应用,如透镜聚焦成像、超薄高分辨率全息图、光束整形等。
目前的研究主要集中于设计基于平面基底的超颖表面。为了开发多功能可 穿戴电子产品和具有高度灵活性、任意形状可扩展性的组件,超颖表面的设计方 法和纳米制造工艺都面临着各种挑战。因此,共形超颖表面由于其超薄的特点和 强大的功能,成为曲面基底下对于入射光波前调制的理想候选者。入射光通过任 意曲面物体表面和共形超颖表面时,共形超颖表面可以补偿原始任意曲面物体 引入的随机相移,从而能够取代传统光学元件,实现各种实际应用,例如柔性显 示电子产品、高速飞行器上的传感器等。对于这种共形超颖表面,所提出的设计 原则包括场等效原理、广义边界条件等。然而,在光学范围内,这些设计理论是 非常复杂的,对于这种共形超颖表面的加工也存在着一定的挑战。我们通过时域 有限差分(FDTD)的方法,基于Ω型共形超颖表面对于任意曲面物体的波前进行 调制而实现了曲面全息的功能。
发明内容
本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法要解决的技术 问题为:共形超颖表面是由不同旋转角的Ω型金纳米天线组成,对于任意的曲 面物体,在透射方向上进行波前调制,实现曲面全息,并且具有如下优点:(1) 基于贝里相位原理实现曲面全息;(2)超颖表面对于入射光的偏振敏感,圆偏振 光入射到共形超颖表面,出射光束变成相反旋向的圆偏振光。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法:首先精确的设 计超颖表面单元结构,超颖表面是由Ω型金纳米天线组成,通过改变Ω型金纳 米天线的旋转角,使得超颖表面对出射光束的相位进行任意地调控;采用时域有 限差分法(FDTD)计算原始曲面和实现曲面全息的相位分布共形超颖 表面的相位分布等于两者的相位差基于贝里相位原理,根据所得相位分布 用相同结构尺寸不同旋转角的Ω型金纳米天线对于相位进行编码,从而实 现曲面全息的效果。基于Ω型共形超颖表面实现相应的波前调制,应用于任意 形状的光电器件。
本发明基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,包括如下步骤:
步骤一:设计超颖表面单元结构。
超颖表面是由具有相同结构尺寸的Ω型金纳米天线阵列构成。通过改变单 个Ω型金纳米天线的旋转角使超颖表面对出射光束的相位、振幅和偏振进 行任意地调控。所述的几何尺寸包括单个Ω型天线内外半径r1、r2,宽度w,高 度h,旋转角以及超颖表面单元的周期P。
步骤二:计算单个曲面及实现曲面全息功能的相位分布。
对于全息原理,使用GS(Gerchberg-Saxton)算法并使用Rayleigh-Sommerfeld 公式(3)进行光传播。因此,从曲面得到全息图像的复振幅如下:
其中Uo和UI分别代表超颖表面全息面和再现面上的复振幅。(xo,yo,zo)和 (xI,yI,zI)分别表示超颖表面全息面和再现面上的坐标。公式(2)中:
根据公式(1)中贝里相位原理,通过FDTD软件模拟,确定步骤一中Ω型 金纳米天线的几何尺寸。对单个Ω型纳米天线的几何尺寸进行设置,环形部分 的外圆半径r=100nm,环形部分的内圆半径为r=5nm,环形部分和条形部分的 宽度相等固定为w=50nm,条状结构和缝隙部分的长度相等固定为l=g=80nm, 周期单元的周期为p=320nm。使得当Ω型纳米天线的旋转角为0°~180°变化 时,相位可以覆盖0~2π,振幅均一。所述尺寸的加工误差范围一般控制在10% 之内。
步骤三:根据步骤一设计的共形超颖表面单元结构和步骤二计算的曲面及 超颖表面的相位分布,实现超颖表面单元阵列和相位分布的映射,基于贝里相位 原理,用Ω型金纳米天线对于所得相位进行编码,根据编码相位分布的Ω型 金纳米天线包裹在任意曲面基底的表面,实现曲面全息。
还包括步骤四:Ω型金纳米天线组成的共性超颖表面具有偏振敏感特性,根 据贝里相位的原理,用纳米天线的旋转角控制相位分布,用于全息图像的空间复 用,提高信息的存储容量。
有益效果:
1、本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,所述超颖表 面是由特定结构尺寸的Ω型金纳米天线阵列构成。通过改变单个Ω型天线的旋 转角,结合曲面的分布,使超颖表面对出射光束的相位、振幅和偏振进行任意地 调控,以实现曲面全息的功能。
2、本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,利用FDTD 方法计算任意曲面的相位分布利用全息原理计算实现曲面全息的相位分布 从而采用Ω型超颖表面用于补偿两者的相位差基于贝里相位的原理, 实现曲面全息的功能。
3、本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,由于共形超 颖表面鲁棒性强,相比与传统的平面的超颖表面来说,能够极大地提高曲面基底 的灵活性,可应用于任意的光电器件。
4、本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,当左旋圆偏 振光入射到共形超颖表面时,出射的光波是右旋圆偏振光,所以具有偏振敏感的 优点,用于全息图像的空间复用,提高信息的存储容量。
附图说明
图1为本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法流程图。
图2为本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的示意图。
图3是本发明中单个Ω型天线的结构图。其中:图3(a)单个Ω型天线结构 尺寸示意图。图3(b)单个Ω型天线的旋转角在0°~180°的范围内透射振幅和相 位分布。
图4是本发明实施例中基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的模拟结果。 图4(a)表示Ω型共形超颖表面实现曲面全息的示意图。图4(b)表示原始曲面的 高度分布。图4(c)表示全息图的相位分布。图4(d)为数值模拟的再现像。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实施例对发明内容 做进一步说明。
如图1所示,本实施例公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法, 具体实现步骤如下:
利用Ω型共形超颖表面实现曲面全息。利用共形超颖表面包裹在曲面基底 的表面,修饰出射光波前,实现曲面全息,如图2所示。
步骤一:超颖表面是由具有相同结构尺寸的Ω型金纳米天线阵列构成。通过 改变单个Ω型金纳米天线的旋转角使超颖表面对出射光束的相位、振幅和偏 振进行任意地调控。所述的几何尺寸包括单个Ω型天线内外半径r1、r2,宽度w, 高度h,旋转角以及超颖表面单元的周期P。
步骤二:对于曲面及共形超颖表面相位的计算。当入射光通过任意曲面基底, 使用FDTD方法可以计算出射光的相位分布实现曲面全息的相位分布基于 贝里相位原理,用Ω型共形超颖表面补偿两者的相位差设计满足贝里相位的 单个Ω型天线的几何尺寸,环形部分的外圆半径r=100nm,环形部分的内圆半径 为r=50nm,环形部分和条形部分的宽度相等为w=50nm,条状结构和缝隙部分 的长度相等l=g=80nm,周期单元的周期p=320nm,基底是SiO2,如图3(a)所示。 用FDTD软件模拟,基于贝里相位原理,当入射光为左旋圆偏振光经过Ω型天线 结构,出射光变为右旋圆偏振光,其振幅和相位分布如图3(b)所示,可以看出当 Ω型纳米天线的旋转角为0°~180°变化时,相位可以覆盖0~2π,振幅均一。
步骤三:超颖表面相位编码实现曲面全息。使用抛物面作为基底,其函数是 z=sin(x)×sin(y),其中单位为mm,如图4(b)所示。使用“A”的图案作为原始 图像,再现距离为5mm。共形超颖表面包含80×80的Ω型天线阵列。通过公式 (2)、(3)、(4),曲面全息图的相位分布如图4(c)所示。基于衍射公式的“A” 重建图像的理论计算结果如图4(d)所示。最后,基于FDTD方法对全息图像进 行了数值模拟。介质共形超颖表面放在曲面基底上,如图4(d)所示,利用远场计 算在距离为5mm的情况下观察到再现图像。
本实施例公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,最终实现曲 面全息的功能。相比与传统的平面超颖表面来说,极大地提高曲面基底的灵活性, 可应用于柔性电子产品、医疗设备等器件的显示。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定 本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、 改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,其特征在于:包括如下步骤,
步骤一:设计超颖表面单元结构;
步骤二:计算单个曲面及实现曲面全息功能的相位分布;
步骤三:根据步骤一设计的共形超颖表面单元结构和步骤二计算的单个曲面及实现曲面全息功能的相位分布,其中单个曲面及实现曲面全息功能的相位分布之差,即超颖表面的相位分布,实现超颖表面单元阵列和相位分布的映射,基于贝里相位原理,用Ω型金纳米天线对于所得相位φp进行编码,根据编码相位分布的Ω型金纳米天线包裹在任意曲面基底的表面,实现曲面全息。
2.如权利要求1所述的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,其特征在于:还包括步骤四:Ω型金纳米天线组成的共性超颖表面具有偏振敏感特性,根据贝里相位的原理,用纳米天线的旋转角控制相位分布,可用于全息图像的空间复用,提高信息的存储容量。
3.如权利要求1或2所述的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,其特征在于:步骤一实现方法为,
超颖表面是由具有相同几何尺寸的Ω型金纳米天线阵列构成;通过改变单个Ω型金纳米天线的旋转角φ,使超颖表面对出射光束的相位、振幅和偏振进行任意地调控;所述的几何尺寸包括单个Ω型天线内外半径r1、r2,宽度w,高度h,旋转角φ以及超颖表面单元的周期P。
4.如权利要求3所述的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,其特征在于:步骤二实现方法为,
针对单个曲面,根据时域有限差分法计算出入射光通过曲面的相位分布φo;然后根据全息原理计算出实现曲面全息的相位分布φd;
对于全息原理,使用GS算法并使用Rayleigh-Sommerfeld公式进行光传播;因此,从曲面得到全息图像的复振幅如下:
其中Uo和UI分别代表超颖表面全息面和再现面上的复振幅;(xo,yo,zo)和(xI,yI,zI)分别表示超颖表面全息面和再现面上的坐标;公式(2)中:
根据入射光通过曲面的相位分布φo和实现曲面全息的相位分布φd,用Ω型共形超颖表面补偿两者的相位差φp。
5.如权利要求4所述的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法,其特征在于:根据公式(1)中贝里相位原理,通过FDTD软件模拟,确定步骤一中Ω型金纳米天线的几何尺寸;对单个Ω型纳米天线的几何尺寸进行设置,环形部分的外圆半径r=100nm,环形部分的内圆半径为r=5nm,环形部分和条形部分的宽度相等固定为w=50nm,条状结构和缝隙部分的长度相等固定为l=g=80nm,周期单元的周期为p=320nm;使得当Ω型纳米天线的旋转角φ为0°~180°变化时,相位覆盖0~2π,振幅均一;上述尺寸的加工误差范围控制在10%之内。
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