CN110426758A - 基于超表面的光学薄膜材料、构建方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超表面的光学薄膜材料、构建方法及其应用，包括多个纳米结构单元，纳米结构单元包括方形的工作面和刻蚀在工作面的纳米砖，以平行于工作面的两条边的方向分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖上与工作面平行的面上的两条边分别为边L和边W，纳米砖的转向角为纳米砖的边L与x轴的夹角θ，多个纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸和传输相位η在多个工作面上排列形成纳米砖阵列；确定该纳米砖的转向角和传输相位的构建方法以及该光学薄膜材料在防伪上的应用。本发明所的基于超表面的光学薄膜材料，复合叠加两种相位控制方式和一种强度控制方式，三种控制方式可分别独立调控并互不影响，为防伪提供了新思路。

Description

基于超表面的光学薄膜材料、构建方法及其应用

技术领域

本发明涉及微纳米光学的技术领域，具体涉及一种基于超表面的光学薄膜材料、构建方法及其应用。

背景技术

超表面由于其具有亚波长结构，可对电磁场振幅、相位、偏振态等进行逐点的精确操控等优势备受关注。作为二维平面材料，超表面可设计为平面光学器件，目前已经研制出具有多种功能的超表面材料器件，如透镜、光栅、全息片等。另外通过结合一些控制方式可以在一片超表面上实现更多的功能，例如，可以通过改变入射光的入射角来产生不同的全息图像，利用入射光偏振态的变化实现双档变焦等等。目前，很多研究者利用超表面材料控制相位或者偏振态来实现一些具体的功能，但利用单层超表面同时实现近远场等多种控制并获得响应的设计尚未被提出和研究。因此，本发明通过整合超表面的多种功能，可以拓展超表面的应用。将多种功能复合叠加在同一超表面器件上，以每种功能作为一重防伪信息，相较于原本只局限于单一防伪特征的材料具有更强的防伪本领。因此，这种基于超表面的多重防伪光学薄膜材料将会在未来具有极大的发展与应用前景。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于超表面的光学薄膜材料，在该光学薄膜材料上以左旋圆偏振光入射时，由四台阶相位控制在远场产生一个全息图像；以右旋圆偏振光入射时，由四台阶相位控制在远场产生另一个全息图像；以线偏振光入射时，由强度控制在近场产生一个高分辨率的连续灰度图像，为防伪提供新思路。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于超表面的光学薄膜材料，包括多个纳米结构单元，所述纳米结构单元包括方形的工作面和刻蚀在所述工作面的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上的两条边分别为边L和边W，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的边L与x轴的夹角θ，多个所述纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸和传输相位η在多个所述工作面上排列形成纳米砖阵列。

进一步地，所述工作面采用二氧化硅材料制成，所述纳米砖阵列采用二氧化钛材料制成。

进一步地，所述纳米阵列中具有八种不同的尺寸和传输相位η的纳米砖，每种纳米砖的高度相同，长度和宽度不尽相同。

进一步地，所述纳米砖的边L、边W以及高H的尺寸均为亚波长级。

本发明的另一个目的是提供一种上述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法，包括如下步骤：

1)采用电磁仿真法，以工作波长的圆偏光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，优选得到所述工作面和所述纳米砖阵列中多种所述纳米砖的几何参数，所述几何参数包括工作面的边长C以及各种纳米砖的边L、边W、高H的尺寸和其对应的传输相位η；

2)在所述纳米结构单元的近场设置以线偏光垂直入射显示的连续灰度的第一图像，根据马吕斯定律得出显示该第一图像的每个纳米砖具有出射光光强相同的四种转向角的自由度；

3)在所述纳米结构单元的远场上设置以左旋圆偏光垂直入射显示的第二图像，根据第二图像确定其显示所需的相位分布再在所述纳米结构单元的远场上设置以右旋圆偏光垂直入射显示的第三图像，根据第三图像确定其显示所需的相位分布

4)将步骤3中的和代入到琼斯矩阵公式：和公式：中，可以计算得出纳米砖的转向角θ值以及对应的传输相位η值，再从步骤1中优选得出的多种纳米砖对应的传输相位η以及纳米砖的四种转向角，选出相位分布符合和要求的每个纳米结构单元中的纳米砖的传输相位最佳值和其对应的尺寸以及确定该纳米砖在工作面上以四种转向角中的哪一种角度设置在工作面上。

进一步地，步骤1中的电磁仿真的优选方法为以圆偏光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，该结构参数包括工作面的边长C以及纳米砖的边L、边W、高H的尺寸，优选得出传输相位具有八台阶相位调制功能、交叉偏振效率大于80％的多种纳米砖的边L、边W、高H的尺寸以及其对应的传输相位η和工作面的边长C的尺寸。

进一步地，四种转向角为θ、π/2-θ、π/2+θ和π-θ。

本发明还提供一种上述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法制得的光学薄膜材料在防伪方面的应用。

本发明的光学薄膜材料在应用于防伪时，在所述光学薄膜材料的近场设置连续灰度的第一防伪图像，在所述光学薄膜材料的远场上设置以左旋圆偏光入射显示的第二防伪图像，在所述光学材料的远场上设置以右旋圆偏光入射显示的第三防伪图像。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明所的基于超表面的光学薄膜材料，复合叠加两种相位控制方式和一种强度控制方式，三种控制方式可分别独立调控并互不影响，可同时产生两个远场的全息图像和一个近场的高分辨率的灰度图像；

2.本发明所采用的超表面材料，其结构尺寸均为亚波长级，因此具有体积小、重量轻、可高度集成等特点，适应于未来小型化、微型化的发展；此外，由于超表面为二维平面材料，因此在加工制造方面较为简单并且可节约成本；

3.由于本发明的基于超表面的光学薄膜材料产生的近场图像和两幅远场图像的不相关性，无法从近场图像推断出远场图像，反之亦然，因此，可将近场及远场图像均作为防伪信息，由此实现三重防伪，可为防伪技术提供一种新的思路和途径。

附图说明

图1为本发明实施例中的其中一个纳米结构单元结构示意图；

图2为本发明实施例中基于超表面的光学薄膜材料优选得到的纳米砖结构传输相位及交叉偏振效率图；

图3为本发明实施例中当线偏光入射于光学薄膜材料时的原理图；

图4为本发明实施例中出射线偏光经过检偏器后，根据马吕斯定律计算得到的光强图；

图5为本发明实施例中基于超表面的光学薄膜材料以线偏振光入射的图像效果示意图；

图6为本发明实施例中基于超表面的光学薄膜材料以左旋圆偏振光入射的图像效果示意图；

图7为本发明实施例中基于超表面的光学薄膜材料以右旋圆偏振光入射的图像效果示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供一种基于超表面的光学薄膜材料，包括多个纳米结构单元，如图1所示，该纳米结构单元包括正方形的工作面1和刻蚀在工作面1的纳米砖2，以平行于工作面1的两条边的方向分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖2上与工作面1平行的面上的两条边分别为边L和边W，纳米砖2的转向角为纳米砖的边L与x轴的夹角θ，多个纳米结构单元中的纳米砖2以不尽相同的尺寸和传输相位η在多个所述工作面上排列形成纳米砖阵列，从而使得该光学薄膜材料具有多台阶相位调节功能和较高的交叉偏振效率。其中，工作面1采用二氧化硅材料制成，纳米砖阵列采用二氧化钛材料制成。

纳米砖2的边L、边W以及高H的尺寸均为亚波长级，这样具有半波片特性的超表面既可以实现相位控制也可以实现强度控制。该纳米阵列中具有八种不同的尺寸和传输相位η的纳米砖2，每种纳米砖2的高度相同，长度和宽度不尽相同。该八种纳米砖2按照一定的原则进行排列，从而使得在该光学薄膜材料上以左旋圆偏振光入射时，由四台阶相位控制在远场产生一个全息图像；以右旋圆偏振光入射时，由四台阶相位控制在远场产生另一个全息图像，以线偏振光入射时，由强度控制在近场产生一个高分辨率的连续灰度图像。

本发明提供上述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法，包括如下步骤：

1)采用电磁仿真法，以工作波长的圆偏光垂直入射，扫描纳米结构单元的结构参数，优选得出传输相位具有八台阶相位调制功能、交叉偏振效率大于80％的工作面1和纳米砖阵列中多种纳米砖2的几何参数，该几何参数包括工作面1的边长C以及各种纳米砖2的边L、边W、高H的尺寸和其对应的传输相位η；

以工作波长λ＝480nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，以圆偏光(左旋偏光或右旋偏光)垂直于工作面入射，在该工作波长下扫描纳米结构单元的结构参数，该结构参数包括纳米砖2的边L、边W、高H和工作面1的边长C的尺寸，优选得到如表1中所示的八种纳米砖2，该八种纳米砖2的高度H均为600nm，工作面边长C为400nm，边L和边W如表1所示。该八种纳米砖2对应的传输相位及交叉偏振效率如图2所示。由图2可见，该八种纳米砖2的交叉偏振效率均大于80％。

表1为八种纳米砖的边L和边W的尺寸大小

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									L(nm)	230	280	70	90	100	110	230	210
W(nm)	100	110	230	210	230	250	70	90

2)将每一个纳米单元结构作为一个像素点，可以通过调节每个像素点的灰度即纳米砖2的转向角设计为一个灰度图像，以线偏光入射时其在近场得到显示；当以线偏光入射，经过纳米砖2后，其偏振方向发生改变，如图3所示，若入射线偏光的偏振方向沿x轴，出射线偏光的偏振方向与入射偏振方向的夹角2θ，出射线偏光通过检偏器后符合马吕斯定理，即：

I＝I₀cos² (2θ)

其中，I₀为经超表面后出射光光强，I为经检偏器后线偏光的光强。如图4所示，可以通过改变θ的大小实现任意的灰度调节，且当纳米砖2的转向角为θ、π/2-θ、π/2+θ、π-θ四种角度时，灰度调节量相同，由此可在出射光光强相同的情况下获得纳米砖2四种相位调控量的设计自由度。

3)在纳米结构单元的远场上设置以左旋圆偏光垂直入射显示的第二图像，根据第二图像得到其显示所需的相位分布再在纳米结构单元的远场上设置以右旋圆偏光垂直入射显示的第三图像，根据第三图像得到其显示所需的相位分布

4)将纳米结构单元的功能等效为一个半波片，其功能可用琼斯矩阵公式表示为：

设相位改变量为则以不同旋向的圆偏光入射时，出射的交叉偏振的圆偏光的相位改变量不同，因此，可以通过改变纳米砖2的转角及圆偏光的旋向来控制出射光的相位；

故根据上述原理，可以将步骤3中得到的代入到上述琼斯矩阵公式和相位分布公式中，可以计算得出转向角θ值和传输相位η值，再从步骤1中优选得出的八种纳米砖2对应的传输相位η以及纳米砖2的四种转向角θ、π/2-θ、π/2+θ、π-θ，选出相位分布符合和要求的每个纳米结构单元中的纳米砖的传输相位最佳值和其对应的尺寸，以及确定该纳米砖在工作面上以四种转向角中的哪一种角度设置在工作面上最佳。

根据上述构建方法制得的光学薄膜材料可对光波同时进行一种强度调制和两种相位调制，在近场产生高分辨率的连续灰度图像，在远场产生两幅不同的全息图像。因为三种调控方式互相独立、互不影响，所以其显示的一个近场灰度图像与两个远场全息图像也具有不相关性。

基于上述的原理和设计，基于超表面的光学薄膜材料可以通过三种不同的调控方式产生三种互不影响的响应，通过对超表面上纳米砖阵列的转向角进行设计，可以通过强度控制在近场产生一个高分辨率的灰度图像，也可通过相位调制在远场产生两个全息图像。在本实施方案中，以小羊图像作为近场灰度图像，以两种花朵图像作为远场全息图像进行多功能超表面的设计，效果如图5、图6和图7共同所示。由于三种调控模式相互独立，互不影响，因此无法由其中一幅图像推断出另外两个图像的内容，故本发明的光学薄膜提供了一种新的防伪方法，有望得到广泛的应用。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超表面的光学薄膜材料，其特征在于，包括多个纳米结构单元，所述纳米结构单元包括方形的工作面和刻蚀在所述工作面的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上的两条边分别为边L和边W，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的边L与x轴的夹角θ，多个所述纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸和传输相位η在多个所述工作面上排列形成纳米砖阵列。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的光学薄膜材料，其特征在于，所述工作面采用二氧化硅材料制成，所述纳米砖阵列采用二氧化钛材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的光学薄膜材料，其特征在于，所述纳米阵列中具有八种不同的尺寸和传输相位η的纳米砖，每种纳米砖的高度相同，长度和宽度不尽相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的光学薄膜材料，其特征在于，所述纳米砖的边L、边W以及高H的尺寸均为亚波长级。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用电磁仿真法，以工作波长的圆偏光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，优选得到所述工作面和所述纳米砖阵列中多种所述纳米砖的几何参数，所述几何参数包括工作面的边长C以及各种纳米砖的边L、边W、高H的尺寸和其对应的传输相位η；

2)在所述纳米结构单元的近场设置以线偏光垂直入射显示的连续灰度的第一图像，根据马吕斯定律得出显示该第一图像的每个纳米砖具有出射光光强相同的四种转向角的自由度；

3)在所述纳米结构单元的远场上设置以左旋圆偏光垂直入射显示的第二图像，根据第二图像确定其显示所需的相位分布再在所述纳米结构单元的远场上设置以右旋圆偏光垂直入射显示的第三图像，根据第三图像确定其显示所需的相位分布

4)将步骤3中的和代入到琼斯矩阵公式：和公式：中，可以计算得出纳米砖的转向角θ值以及对应的传输相位η值，再从步骤1中优选得出的多种纳米砖对应的传输相位η以及纳米砖的四种转向角，选出相位分布符合和要求的每个纳米结构单元中的纳米砖的传输相位最佳值和其对应的尺寸以及确定该纳米砖在工作面上以四种转向角中的哪一种角度设置在工作面上。

6.根据权利要求5所述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法，其特征在于，步骤1中的电磁仿真的优选方法为以圆偏光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，该结构参数包括工作面的边长C以及纳米砖的边L、边W、高H的尺寸，优选得出传输相位具有八台阶相位调制功能、交叉偏振效率大于80％的多种纳米砖的边L、边W、高H的尺寸以及其对应的传输相位η和工作面的边长C的尺寸。

7.根据权利要求5所述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法，其特征在于，所述四种转向角为θ、π/2-θ、π/2+θ和π-θ。

8.一种如权利要求5-7所述的基于超表面的光学薄膜材料的构建方法制得的光学薄膜材料在防伪方面的应用。

9.根据权利要求8所述的一种基于超表面的光学薄膜材料的构建方法制得的薄膜材料在防伪方面的应用，其特征在于，在所述光学薄膜材料的近场设置连续灰度的第一防伪图像，在所述光学薄膜材料的远场上设置以左旋圆偏光入射显示的第二防伪图像，在所述光学材料的远场上设置以右旋圆偏光入射显示的第三防伪图像。