CN110147022B - 基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，属于微纳全息领域。本发明实现方法为：超颖表面是由具不同几何尺寸纳米矩形孔结构阵列构成；通过改变纳米矩形孔结构几何尺寸，使非线性超颖表面对出射非线性频率信号的振幅和相位进行任意地调控；利用全波矢量计算得到不同尺寸下出射非线性光场复振幅分布；基于优化GS算法计算得到振幅型全息图，并根据比特编码方法将矩形孔结构对全息图进行编码；编码确定矩形孔结构分布，从而生成相应非线性超颖表面结构阵列；通过入射两束不同频率的飞秒脉冲实现同一非线性超颖表面结构阵列的非线性全息空间和频率复用。本发明能够应用于、信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，属于微纳全息领域。
背景技术
全息可以用于记录和重建物体的所有信息。随着计算全息的出现，全息图生成可以通过编程来更简单地完成。通过使用空间光调制器和衍射光学元件实现全息的传统技术受限于的大像素尺寸，小视场角和有限的空间带宽积。超颖表面是能够灵活塑造波前的亚波长结构器件，因此它是成为实现高性能全息术的设计平台。最近，基于超颖表面的全息复用引起了广泛研究，因为它能够在相同的空间区域中记录多个图像；具有超小尺寸、亚波长分辨率和更大的视场等优点。由于设计自由度的限制和智能编码方法仍在不断探索中，到目前为止提出的基于超颖表面的计算全息复用的方法还远未完善。
基于非线性超颖表面的全息利用强光场(例如飞秒激光脉冲)和非线性超颖表面之间的相互作用产生的非线性效应来获得新的频率设计自由度。通过适当地设计超颖表面，可以在产生的非线性频率处生成再现像，或者在线性频率和非线性频率都生成再现图像。因此这一全息复用的自由度能够进一步提高全息信息存储的容量。目前已经提出了一些非线性全息的方法。例如，使用非线性贝里相位原理的自旋和波长复用实现非线性超颖表面全息，可以在具有不同自旋的基频光波和二次谐波产生波中实现多重全息图像复用。基于由V形天线组成的双层非线性超颖表面，可以在相同空间再像位置处实现偏振和非线性二倍频复用。这些方法实现的频率复用均考虑针对基频波和倍频波的波前进行分别调制，由于基频波与非线性频率信号强弱差别比较大，所以复用起来需要复杂的滤波系统将基频信号和非线性频率信号分开。与此同时，更普遍的基于超颖表面的四波混频效应未得到充分研究。已报道的针对四波混频非线性效应的研究大多关注复振幅控制，效率增强，频率梳生成方面；很少有工作利用四波混频实现非线性超颖表面全息复用。超颖表面四波混频产生的非线性频率信号能够覆盖多个波长，对于扩展信息容量、实现更高维度的信息加密有巨大应用潜力和前景。此外，非线性空间和频率复用方法可以用于彩色全息显示，转换光学，数据存储、光学加密防伪相关的领域。因此实现基于非线性超颖表面的四波混频全息复用的研究具有重要意义。
发明内容
为了解决现有全息复用的复用自由度的问题，本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法要解决的技术问题是：将非线性四波混频效应用于全息频率和空间复用，通过将四波混频产生的不同频率信号复振幅编码到同一超颖表面。每个超颖表面单元由具有不同尺寸的矩形孔结构构成，通过具有不同非线性频率信号产生不同全息图并在同一空间生成不同再现像，实现非线性全息空间和频率复用。进一步，本发明所采用的纳米孔径结构具有最简单的几何尺寸，能够具备产生并调控非线性响应的能力。同时，本发明能够应用于、信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密等领域。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，实现非线性空间和频率复用的超颖表面是由具不同几何尺寸纳米矩形孔结构阵列构成。通过改变纳米矩形孔结构几何尺寸，使非线性超颖表面对出射非线性频率信号的振幅和相位进行任意地调控。利用全波矢量计算得到不同尺寸下出射非线性光场复振幅分布。基于优化GS算法计算得到振幅型全息图，并根据比特编码方法将矩形孔结构对全息图进行编码。所述GS算法是全息图计算过程中在全息面和再现面迭代的优化算法。编码确定矩形孔结构分布，从而生成相应非线性超颖表面结构阵列。通过入射两束不同频率的飞秒脉冲实现同一非线性超颖表面结构阵列的非线性全息空间和频率复用。
将二比特振幅编码推广到多比特振幅编码，即将二比特振幅编码方法扩展到光谱多路复用的更高维度，实现在n个频率对应的傅里叶平面上的n个不同的独立再现像生成，即实现n个非线性信号的全息空间和频率复用。
本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，所述非线性超颖表面由悬浮的纳米矩形孔结构构成，具有亚波长尺寸；所述纳米矩形孔结构的排布方式为周期阵列或非周期阵列；所述纳米矩形孔结构为悬浮膜刻蚀矩形形状的孔；通过改变矩形孔结构几何尺寸，实现对出射非线性信号的振幅和相位进行任意调控。所述的几何尺寸包括矩形孔结构长度、宽度、厚度以及单元周期。所述方法包括如下步骤：
步骤一、在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到入射为两个不同频率飞秒脉冲的情况下出射的信号强度振幅和相位分布。
在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象。改变纳米矩形孔结构的长度和宽度，得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1；
在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象。
四波混频属于三阶非线性效应，四波混频能够产生于任意材料以及任意表面对称性。三阶非线性效应对应的非线性磁化率为χ(3)。在入射光为两个不同频率ω1、ω2的高强度脉冲情况下，能够引起三阶非线性极化响应即非线性极化率P(3):
其中：ω1、ω2和ωFWM分别是两个入射基频脉冲的角频率和产生的非线性混合频率。E1(ω1)是ω1的基频脉冲的复振幅，而
是ω2的基频脉冲的复振幅共轭复振幅。四波混频对应非线性波动方程如下：
其中：EFWM是所生成的非线性分量的复振幅。εeff(ωFWM)是产生的混频光ωFWM的材料有效介电常数；ε0是真空中的介电常数。通过求解等式(1)、(2)，获得圆频率ωFWM非线性分量的电磁场。计算角频率为2ω1+ω2，、2ω2+ω1和2ω2-ω1对应的三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程，如公式(3)、(4)、(5)所示，
三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程相应的极化如下：
P(3)(2ω1+ω2)＝ε0χ(3)(-2ω1-ω2，ω1，ω2)[E1(ω1)]2E2(ω2) (6)
P(3)(2ω2+ω1)＝ε0χ(3)(-2ω2-ω1，ω1，ω2)[E2(ω1)]2E1(ω1) (7)
其中：非色散三阶磁化率为预设常数。
基于公式(1)-(8)，即利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1。
作为优选，所述非色散三阶磁化率设定为x(3)＝10-18m2/V2。
作为优选，所述全波矢量计算方法选用基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。
作为优选，所述纳米矩形孔优选金纳米矩形孔。
步骤二、利用纳米矩形孔结构编码确定超颖表面阵列排布。
在A、A1和B、B1中选择满足在两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2下相位分别都呈现均一分布，而振幅具有二比特分布的四种结构C，所述四种结构C为C1、C2、C3、C4；所述二比特分布是指在所调制的一个非线性频率ωFWM1下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、1、0、0；而所调制的另一个非线性频率ωFWM2下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、0、1、0。对应的二比特排列为(1，1)、(1，0)，(0，1)、(0，0)其中，逗号前面表示ωFWM1对应分量振幅；逗号后面表示ωFWM1对应分量振幅。所述二比特分布也指在所调制的一个非线性频率ωFWM2下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、0、1、0；而所调制的另一个非线性频率ωFWM1下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、1、0、0。对应的二比特排列为(1，1)、(0，1)，(1，0)、(0，0)其中，逗号前面表示ωFWM1对应分量振幅；逗号后面表示ωFWM1对应分量振幅。
利用优化振幅型GS算法计算得到两张全息图，并将二比特分布的四种矩形孔结构C根据计算得到两张全息图编码到同一超颖表面阵列D。
步骤三：根据步骤二编码得到的超颖表面阵列D进行全息频率和空间复用，实现非线性全息空间和频率复用。
每个超颖表面单元由具有不同尺寸的矩形孔结构构成。通过具有两个不同非线性频率信号产生不同全息图并在同一空间生成不同再现像，实现非线性全息空间和频率复用。
非线性全息空间和频率复用通过两种方法进行互相验证。方法一是，将编码得到的超颖表面阵列D中单元用C的振幅和相位进行替换；通过夫琅禾费衍射在无穷远处得到两个出射非线性频率再现像。方法二是，将编码得到的超颖表面阵列D利用全波矢量计算得到实际阵列的电场分布，并通过远场传播得到两个出射非线性频率再现像。
还包括步骤四：将步骤一至三所述基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法应用于信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密领域，提高信号处理速度、光学存储容量、高维度全息防伪和光学加密的安全性。
将二比特振幅编码推广到多比特振幅编码，即将二比特振幅编码方法扩展到光谱多路复用的更高维度。定义复用的非线性频率分量个数为n，在一个超颖表面单元内优化纳米矩形孔结构以满足实现振幅全息图的n比特编码的条件。应满足以下条件：首先，n个非线性波长的幅度调制应满足n比特幅度波动，(1，1，…，1，1)，(1，1，…1，0)，…(0，0，…0，1)，(0，0，…0，0)；共对应2n种结构，其中括号里分别对应n个非线性分量的振幅。其次，对于所有n个非线性分量相应的相位是均匀的。在将2n个纳米矩形孔结构编码成n个独立的振幅型全息图之后，实现在n个频率对应的傅里叶平面上的n个不同的独立再现像生成，即实现n个非线性信号的全息空间和频率复用。
有益效果：
1、本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，用于实现频率复用和空间复用的超颖表面是由不同几何尺寸金纳米矩形孔结构阵列构成，通过纳米矩形孔几何尺寸，使混合超颖表面对出射非线性频率对应光场振幅和相位进行任意地调控。
2、本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，通过选择满足一定相位和振幅条件的纳米矩形孔结构，并将其根据计算所得全息图编码到同一混合可重构超颖表面，通过选择和入射光场分量平行的出射分量，实现不同非线性频率下生成不同的再现像实现频率复用和空间复用。
3、相比与传统的全息复用方法，本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，能够丰富设计自由度，应用于光纤通信、信号处理、光学防伪和光学加密等应用场合，解决相关工程问题，即提高信号处理速度、光学存储容量、高维度全息防伪和光学加密的安全性。
4、本发明公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，通过金纳米矩形孔结构的组成材料以及结构尺寸进行合理的选择，能够将该方法应用于更多自由度的全息复用。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法流程图；
图2是本发明实施例1中基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法的示意图；对于同一非线性超颖表面以及采用y偏振入射光，能够在不同出射非线性频率下生成全息图。入射角频率是ω1和ω2，它们分别对应于975nm和1480nm的波长。入射分量和出射分量都沿y方向。出射非线性脉冲有四个光谱分量，对应角频率分别为2ω1+ω2，2ω1-ω2，2ω2+ω1，2ω2-ω1(分别对应为366nm，727nm(即λFWM2也对应于ωFWM2)，420nm(即λFWM1也对应于ωFWM1)和3um)。字母“A”和“C”表示在ωFWM1和ωFWM2处的二比特振幅型全息图的重建图像。
图3是本发明实施例1中一个超颖表面单位晶胞内的金纳米矩形孔径的示意图以及出射非线性频率ωFWM1和ωFWM2处的参数扫描结果。(a)金纳米孔径超颖表面单元为在金膜上刻蚀形状为矩形孔的单元。具有矩形横截面的纳米孔径蚀刻在独立的金膜中。(b)通过用两个频率分量ω1和ω2照射周期性排列的纳米孔阵列的输出光谱。对应出射非线性频率分量分别为3ω1，3ω2，2ω1+ω2，2ω1-ω2，2ω2+ω1(对应波长为325nm，493nm，366nm，727nm，420nm)。而在图中未示出的另一个非线性分量2ω2-ω1(对应波长为3μm)处于中红外由于信号较弱所以没有标注。注意，入射电场都具有1×10^9V/m大小的振幅。插图显示了非线性光谱分量的放大视图，以便更好地显示。(c)在λFWM1对应不同金纳米矩形孔长度和宽度的二维扫描相位分布。(d)在λFWM2对应不同金纳米矩形孔长度和宽度的二维扫描相位分布。(e)在λFWM1对应不同金纳米矩形孔长度和宽度的二维扫描相位分布。(f)在λFWM2对应不同金纳米矩形孔长度和宽度的二维扫描相位分布。黑色空心环标注具有均匀相位和二进制幅度调制特性的四个金纳米矩形孔在二位扫描图里所在位置。
图4是本发明实施例1中选定的四个金属纳米孔径结构在两个出射非线性频率下的复振幅。横轴表示所选的四个金纳米矩形孔结构的标号(分别为1，2，3，4)。左轴显示振幅分布，每一标号对应一种结构，标号上方对应两个方柱左侧柱表示λFWM1的振幅(ampFWM1)而右侧柱表示λFWM2的振幅(ampFWM2)。右轴显示相位分布，即λFWM1的相位(phiFWM1)而右侧柱表示λFWM2的相位(phiFWM2)。
图5是本发明实施例1中将所选结构编码到两幅振幅型计算全息图的编码结果。实际全息图大小为50×50，为了方便显示，这里选取了部分编码图案且其大小为10×10。(a)λFWM1对应全息图的编码，原图为字母“A”。(b)λFWM2对应全息图的编码，原图为字母“C”。数字1、2、3和4标记四种纳米矩形孔结构。白色块表示幅度值1，而黑色块表示0。
图六是再现像效果图。(a)是将编码得到同一超颖表面阵列的λFWM1对应的全息图替换为实际四种金纳米矩形孔结构复振幅分布并进行夫琅禾费再现的结果图，对应原图为字母‘A’。(b)是将编码得到同一超颖表面阵列的λFWM2对应的全息图替换为实际四种金纳米矩形孔结构复振幅分布并进行夫琅禾费再现的结果图，对应原图为字母‘C’。(c)是将编码得到同一超颖表面阵列的λFWM1对应的全息图替换为实际四种金纳米矩形孔结构复振幅分布并进行FDTD阵列计算再现的结果图，对应原图为字母‘A’。(d)是将编码得到同一超颖表面阵列的λFWM2对应的全息图替换为实际四种金纳米矩形孔结构复振幅分布并进行FDTD阵列计算再现的结果图，对应原图为字母‘C’。
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。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，实现非线性空间和频率复用的超颖表面是由具不同几何尺寸金纳米矩形孔结构阵列构成。通过改变金纳米矩形孔结构几何尺寸，使非线性超颖表面对出射非线性频率信号的振幅和相位进行任意地调控。利用全波矢量计算得到不同尺寸下出射非线性光场复振幅分布。基于优化GS算法计算得到振幅型全息图，并根据比特编码方法将金矩形孔结构对全息图进行编码。所述GS算法是全息图计算过程中在全息面和再现面迭代的优化算法s。编码确定矩形孔结构分布，从而生成相应非线性超颖表面结构阵列。通过入射两束不同频率的飞秒脉冲实现同一非线性超颖表面结构阵列的非线性全息空间和频率复用。
将二比特振幅编码应用到全息编码中，实现在两个个频率对应的傅里叶平面上的两个不同的独立再现像生成，即实现两个非线性信号的全息空间和频率复用。
如图1所示，本实施例公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法流程，其过程示意由图2所示。脉冲长度为60fs沿y偏振的两束入射光(波长分别为975nm和1480nm)照射在由金纳米孔阵列组成非线性超颖表面上，出射沿y轴偏振的非线性频率分量有四个，分别对应角频率为2ω1+ω2、2ω1-ω2、2ω2+ω1、和2ω2-ω1，对应波长为分别为366nm，727nm(即λFWM2也对应于ωFWM2)，420nm(即λFWM1也对应于ωFWM1)和3um。其中在λFWM1处产生全息图再现像’A’，在λFWM2产生全息图再现像‘C’。具体实现方法如下：
步骤一、在金纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到入射为两个不同频率飞秒脉冲的情况下出射的信号强度振幅和相位分布。
用于实现非线性超颖表面的四波混频全息频率和空间复用的超颖表面是由具有不同几何尺寸的金纳米矩形孔结构构成。该结构是由在金膜上刻蚀具有矩形形状的不同几何尺寸的孔径组成，如图3(a)。所述的几何尺寸包括所述的几何尺寸包括金纳米矩形孔结构长度、宽度、厚度以及单元周期。固定金纳米矩形孔结构的厚度和周期分别为100nm和400nm。入射波长为975nm(ω1)和1480nm(ω2)，沿y轴方向偏振，脉冲宽度为60fs，入射电场都具有1×10^9V/m大小的振幅。通过全波矢量计算可以得到偏振方向为y轴的出射频谱强度分布，如图3(b)所示。其中既包括线性频率分量ω1和ω2，也包括非线性频率分量3ω1，3ω2，2ω1+ω2，2ω1-ω2，2ω2+ω1(对应波长分别为325nm，493nm，366nm，727nm，420nm)。由于另一个非线性分量2ω2-ω1(对应波长为3μm)处于中红外由于信号较弱所以没有在频谱上显示出来。其中λFWM1以及λFWM2处于可见光波长范围，因此对应非线性分量可用于可见光全息编码复用。通过改变金纳米矩形孔结构长度和宽度实现对λFWM1和λFWM2对应非线性分量的光场进行任意调控。
通过对金纳米孔径长度和宽度进行二维扫描，计算得到λFWM1和λFWM2对应非线性分量的光场振幅和相位分布。其中长度范围为50nm到140nm，宽度范围为50nm到280nm。二维扫描仿真结果如图3(c)，图3(d)，图3(e)，图3(f)所示。其中图3(c)λFWM1对应出射非线性分量的相位分布；图3(d)λFWM1对应出射非线性分量的振幅分布；图3(e)λFWM2对应出射非线性分量的相位分布；图3(f)λFWM2对应出射非线性分量的振幅分布。因此，通过改变金纳米矩形孔结构长度和宽度实现了对λFWM1和λFWM2相应非线性分量的光场进行任意调控。因此，改变纳米矩形孔结构的长度和宽度，得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1；
对于非线性光场的计算是基于求解非线性波动方程实现的，使用的计算方法包括时域有限差分法通过求解等式(1)-(8)，获得圆频率ωFWM非线性分量的电磁场。其中：非色散三阶磁化率为预设常数为χ(3)＝10-18m2/V2。
基于公式(1)-(8)，即利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1。
步骤二、利用纳米矩形孔结构编码确定超颖表面阵列排布。
在A、A1和B、B1中选择满足在两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2下相位分别都呈现均一分布，而振幅具有二比特分布的四种结构C，所述四种结构C为C1、C2、C3、C4；所述二比特分布是非线性频率ωFWM1下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、1、0、0；而所调制的另一个非线性频率ωFWM2下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、0、1、0。对应的二比特排列为(1，1)、(1，0)，(0，1)、(0，0)其中，逗号前面表示ωFWM1对应分量振幅；逗号后面表示ωFWM1对应分量振幅。找到在λFWM1和λFWM2对应的二维扫描复振幅分布中选择满足在λFWM1波长下振幅分布为1、1、0、0；在λFWM2波长下振幅分布为1、0、1、0；而在λFWM1和λFWM2波长下相位分别都均一的四种金纳米矩形孔结构。其二比特排列分布为(1，1)、(1，0)，(0，1)、(0，0)。其具体尺寸如表一所示：
表一 所选四个结构尺寸
四种金纳米矩形孔结构对应的振幅和相位分布如图4所示。在λFWM1处，四种金纳米矩形孔结构振幅呈现1、1、0、0分布，而相位稳定分布在2弧度；在λFWM2处，四种金纳米矩形孔结构振幅呈现1、0、1、0分布，而相位稳定分布在-0.8弧度；
利用优化振幅型GS算法计算得到两张全息图，并将二比特分布的四种矩形孔结构C根据计算得到两张全息图编码到同一超颖表面阵列D。
步骤三：根据步骤二编码得到的超颖表面阵列D进行全息频率和空间复用，实现非线性全息空间和频率复用。利用优化的振幅型GS算法计算得到原图是字母‘A’和‘C’的两张振幅全息图，并将二比特分布的四种金纳米矩形孔结构根据计算得到两张全息图编码到同一超颖表面阵列。其编码结果如图5(a)-(b)所示。
每个超颖表面单元由具有不同尺寸的矩形孔结构构成。通过具有两个不同非线性频率信号产生不同全息图并在同一空间生成不同再现像，实现非线性全息空间和频率复用。
非线性全息空间和频率复用通过两种方法进行互相验证。方法一是，将编码得到的超颖表面阵列D中单元用C的振幅和相位进行替换；通过夫琅禾费衍射在无穷远处得到两个出射非线性频率再现像。方法二是，将编码得到的超颖表面阵列D利用全波矢量计算得到实际阵列的电场分布，并通过远场传播得到两个出射非线性频率再现像。
将编码得到同一超颖表面阵列的两幅全息图替换为实际四种金纳米矩形孔结构振幅分布，加上实际四种金纳米矩形孔结构相位分布得到在λFWM1处和在λFWM2处的实际复振幅分布，通过夫琅禾费衍射在无穷远处得到再现像‘A’和‘C’。结果如图6(a)-(b)所示。作为验证，使用时域有限差分法计算超颖表面阵列并通过远场传播得到再现像‘A’和‘C’。结果如图6(c)-(d)所示。夫琅禾费衍射模拟结果和时域有限差分法计算结果吻合。
实施例一公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，利用金纳米矩形孔的四波混频效应实现振幅型全息的空间和频率复用。通过改变金纳米矩形孔的长度和宽度，实现调节λFWM1处和在λFWM2处对应的出射非线性光场分量的复振幅；寻找满足在λFWM1处和在λFWM2处振幅满足二比特编码，而相位分别均一的四种金纳米矩形孔结构用于全息复用编码。通过计算得到两幅携带独立信息的全息图并将所选金纳米矩形孔结构编码到同一超颖表面。通过选择和入射光场平行的出射分量，实现在λFWM1处产生再现像‘A’而在λFWM2处以及同一非线性超颖表面能够产生再现像‘C’，实现频率以及空间复用。因此，该非线性超颖表面能够实现非线性光场调控应用。此外，与传统的全息复用自由度单一的超颖表面相比，本方法极大地提高了设计多功能超颖表面的自由度。本发明可应用于多维全息显示、光学信息处理、信息加密、高效信息存储、应用场合，并且本法可拓宽到更高阶的多比特编码设计。即利用这种设计方法还可以扩展到光谱多路复用的更高维度。例如，在我们计算的输出非线性频率谱中，可以观察到ω2的三次谐波信号波长为493nm(对应的非线性频率为3ω2)，也处于光波段区域。遵循类似的设计方法，可以在一个单元内灵活地优化金纳米孔径以满足实现振幅全息图的三比特编码的条件。应满足以下条件：首先，三个非线性波长的幅度调制应满足三比特幅度波动，(1，1，1)，(1，1，0)，(1，0，1)，(1，0，0)，(0，1，1)，(0，1，0)，(0，0，1)，(0，0，0)，其中括号里分别对应三个非线性分量的振幅。其次，对于所有三个分量，λFWM1，λFWM2和λ3ω2，相应的相位是均匀的。在将八个金纳米孔径结构编码成三个独立的振幅型全息图之后，可以实现在三个非线性频率对应的傅里叶平面上的三个不同的独立再现像生成。两种方法相互验证的再现像结果如图6所示。
还包括步骤四：将步骤一至三所述基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法应用于信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密领域，提高信号处理速度、光学存储容量、高维度全息防伪和光学加密的安全性。
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 (10)
1.基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，所述非线性超颖表面由悬浮的纳米矩形孔结构构成，具有亚波长尺寸；所述纳米矩形孔结构的排布方式为周期阵列；所述纳米矩形孔结构为悬浮膜刻蚀矩形形状的孔；通过改变矩形孔结构几何尺寸，实现对出射非线性信号的振幅和相位进行任意调控；所述的几何尺寸包括矩形孔结构长度、宽度、厚度以及单元周期；其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，改变纳米矩形孔结构的长度和宽度；利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到入射为两个不同频率飞秒脉冲的情况下出射的信号强度振幅和相位分布；
步骤二、利用纳米矩形孔结构编码确定超颖表面阵列排布；
步骤三、根据步骤二编码得到的超颖表面阵列进行全息频率和空间复用，实现非线性全息空间和频率复用；
2.如权利要求1所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：还包括步骤四，将步骤一至三所述基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法应用于信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密领域，提高信号处理速度、光学存储容量、高维度全息防伪和光学加密的安全性。
3.如权利要求1或2所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象；改变纳米矩形孔结构的长度和宽度，得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1；
在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象；
四波混频属于三阶非线性效应，四波混频能够产生于任意材料以及任意表面对称性；三阶非线性效应对应的非线性磁化率为χ(3)；在入射光为两个不同频率ω1、ω2的高强度脉冲情况下，能够引起三阶非线性极化响应即非线性极化率P(3):
其中：ω1、ω2和ωFWM分别是两个入射基频脉冲的角频率和产生的非线性混合频率；E1(ω1)是ω1的基频脉冲的复振幅，而
是ω2的基频脉冲的复振幅共轭复振幅；四波混频对应非线性波动方程如下：
其中：EFWM是所生成的非线性分量的复振幅；εeff(ωFWM)是产生的混频光ωFWM的材料有效介电常数；ε0是真空中的介电常数；通过求解等式(1)、(2)，获得圆频率ωFWM非线性分量的电磁场；计算角频率为2ω1+ω2,、2ω2+ω1和2ω2-ω1对应的三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程，如公式(3)、(4)、(5)所示，
三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程相应的极化如下：
P(3)(2ω1+ω2)＝ε0χ(3)(-2ω1-ω2，ω1，ω2)[E1(ω1)]2E2(ω2) (6)
P(3)(2ω2+ω1)＝ε0χ(3)(-2ω2-ω1，ω1，ω2)[E2(ω1)]2E1(ω1) (7)
其中：非色散三阶磁化率为预设常数；
基于公式(1)-(8)，即利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1。
4.如权利要求3所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
在A、A1和B、B1中选择满足在两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2下相位分别都呈现均一分布，而振幅具有二比特分布的四种结构C，所述四种结构C 为C1、C2、C3、C4；所述二比特分布是指在所调制的一个非线性频率ωFWM1下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、1、0、0；而所调制的另一个非线性频率ωFWM2下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、0、1、0；对应的二比特排列为(1，1)、(1，0)、(0，1)、(0，0)其中，逗号前面表示ωFWM1对应分量振幅；逗号后面表示ωFWM1对应分量振幅；所述二比特分布也指在所调制的一个非线性频率ωFWM2下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、0、1、0；而所调制的另一个非线性频率ωFWM1下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、1、0、0；对应的二比特排列为(1，1)、(0，1)、(1，0)、(0，0)其中，逗号前面表示ωFWM1对应分量振幅；逗号后面表示ωFWM1对应分量振幅；
利用优化振幅型GS算法计算得到两张全息图，并将二比特分布的四种矩形孔结构C根据计算得到两张全息图编码到同一超颖表面阵列D。
5.如权利要求4所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
每个超颖表面单元由具有不同尺寸的矩形孔结构构成；通过具有两个不同非线性频率信号产生不同全息图并在同一空间生成不同再现像，实现非线性全息空间和频率复用。
6.如权利要求5所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：将二比特振幅编码推广到多比特振幅编码，即将二比特振幅编码方法扩展到光谱多路复用的更高维度；定义复用的非线性频率分量个数为n，在一个超颖表面单元内优化纳米矩形孔结构以满足实现振幅全息图的n比特编码的条件；应满足以下条件：首先，n个非线性波长的幅度调制应满足n比特幅度波动，(1,1,…,1,1)，(1,1,…1,0),…(0,0,…0,1),(0,0,…0,0)；共对应2n种结构，其中括号里分别对应n个非线性分量的振幅；其次，对于所有n个非线性分量相应的相位是均匀的；在将2n个纳米矩形孔结构编码成n个独立的振幅型全息图之后，实现在n个频率对应的傅里叶平面上的n个不同的独立再现像生成，即实现n个非线性信号的全息空间和频率复用。
7.如权利要求5所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：非线性全息空间和频率复用通过两种方法进行互相验证；方法一是，将编码得到的超颖表面阵列D中单元用C的振幅和相位进行替换；通过夫琅禾费衍射在无穷远处得到两个出射非线性频率再现像；方法二是，将编码得到的超颖表面阵列D利用全波矢量计算得到实际阵列的电场分布，并通过远场传播得到两个出射非线性频率再现像。
8.如权利要求5所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：所述非色散三阶磁化率设定为χ(3)＝10-18m2/V2。
9.如权利要求5所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：所述全波矢量计算方法选用基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。
10.如权利要求5所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：所述纳米矩形孔选金纳米矩形孔。
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