CN110426783A - 一种基于微纳半波片的多功能超表面 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于微纳半波片的多功能超表面，多功能超表面由基底和刻蚀在基底上的纳米砖阵列构成，使得一个超表面可以同时实现对线偏振光的偏振调控与对圆偏振光的相位调控。在近场通过偏振态的调控可以实现高分辨率连续灰度图像显示，在远场通过四台阶相位调控可以再现全息图像，两种调控模式相互独立，互不影响。本发明提供了一种新的信息复用的方法，并可以在加密显示、信息安全领域得到广泛的应用。

Description

一种基于微纳半波片的多功能超表面

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于微纳半波片的多功能超表面。

背景技术

近年来，超表面由于其具有亚波长结构、可对电磁场进行精确地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，通过结合一些控制方式来实现更多的功能，例如，可以通过改变入射光偏振态或波长来产生不同图像的超表面全息图，利用入射光圆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，但同时叠加多种控制并获得响应的设计尚未被提出和研究，因此，我们提出通过整合多种超表面的功能可以将多种功能复合叠加，从而拓展超表面的应用。将多种功能复合叠加在同一超表面器件上，相较于原本只局限于单一控制和响应的超表面将会实现更多的功能，因此这种多功能复合型超表面将会在未来具有极大的应用发展前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于微纳半波片的多功能超表面，将其应用于加密显示中，具有半波片特性的多功能超表面既可以实现相位控制也可以实现偏振控制。结合马吕斯定律，其可同时实现远场全息显示和近场灰度显示。将其应用于加密显示时，相位控制和偏振控制可作为加密显示的两种独立模式，即由四台阶相位控制在远场产生一个全息图像，由偏振控制在近场产生一个高分辨率的连续灰度图像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于微纳半波片的多功能超表面，由基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列构成，对光波同时进行偏振调制和相位调制，在近场产生高分辨率的连续灰度图像，在远场产生全息图像。

按上述技术方案，多功能超表面采用SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构，顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅-硅作为基底。

按上述技术方案，基底可划分为多个纳米单元结构，每个纳米单元结构均由一个边长为C的正方形的工作面和该工作面上刻蚀的一个纳米砖构成，所述的纳米砖结构尺寸长L、宽w、高H根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到，且均为亚波长级，以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角φ为纳米砖的转向角。

按上述技术方案，纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能等效为一个半波片，其功能可表示为：

其中，φ为纳米砖的转向角，设相位改变量为则以圆偏光入射时，出射一个带有2φ相位改变量的交叉偏振(相反偏振态)的圆偏光。

按上述技术方案，多功能超表面上的每个纳米单元结构等效为半波片，当以线偏光入射时，若入射线偏光的偏振方向与纳米砖长轴方向夹角为θ/2，则出射线偏光的偏振方向与入射偏振方向的夹角θ，所述的出射线偏光通过检偏器后符合马吕斯定理，即

I＝I₀cos²θ

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，可以通过改变θ的大小实现任意的灰度调节，假设入射线偏光为x线偏光，为得到偏振方向与x线偏光的偏振方向夹角为|θ|的出射线偏光，纳米砖的转向角可为θ/2、-θ/2、90°+θ/2、-90°-θ/2四种角度，由此可在出射光光强相同的情况下获得四种相位调控量的设计自由度。

按上述技术方案，由于每个纳米砖具有四种相位调控的自由度，结合模拟退火算法，可利用相位调控量将所述多功能超表面设计为一个全息片，在远场实现全息显示。

按上述技术方案，当线偏光入射多功能超表面时，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，通过对纳米砖阵列的转向角分布进行设计，使反射光在近场显示一个高分辨率的连续灰度图像。

按上述技术方案，将多功能超表面产生的近场灰度图像和远场全息图像中任意一个图像作为加密信息，可以实现加密显示。

本发明产生的有益效果是：1.本发明所设计的多功能超表面，复合叠加相位和偏振两种控制方式，两种控制方式可分别独立调控并互不影响，可同时产生一个远场的全息图像和一个近场的高分辨率的灰度图像。

2.由于本发明所设计的多功能超表面产生的近场图像和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，可将近场或远场图像任意一个作为加密图像，由此实现加密显示，这种加密技术可为安全保密技术提供一种新的思路和途径，例如防伪检测，鬼影成像和隐写术等。

3.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。

4.本发明可直接在SOI材料上加工，与现有的半导体加工技术兼容，可实现大规模批量生产。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中纳米单元结构示意图。

图2为本发明实施例中基于微纳半波片的多功能超表面的反射率扫描图。

图3为本发明实施例中当线偏光入射于基于微纳半波片的多功能超表面时的原理图。

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微纳半波片的多功能超表面实现近远场图像效果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种基于微纳半波片的多功能超表面，并将其应用于加密显示中，多功能超表面由基底以及刻蚀在其上的纳米砖阵列构成，通过设计可以同时实现半波片和全息片的功能。

本发明中采用的超表面材料为SOI，即硅-二氧化硅-硅的材料结构，顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅-硅作为基底。单个纳米单元结构如图1所示，超表面材料由1-基底和2-纳米砖构成，单元结构的基底为边长为C的正方形工作面，其上刻蚀有一个纳米砖，其结构尺寸长L、宽W、高H均为亚波长级，纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，φ为纳米砖的转向角。基于半波片的多功能超表面为由多个所述的纳米单元结构构成的纳米单元阵列，且纳米单元阵列中各相邻的纳米砖尺寸和中心间隔均相同。以圆偏光入射，纳米单元结构尺寸根据入射光的反射率进行优化得到，使得出射的交叉偏振光的反射率最高，同向偏振光的反射率最低。

以工作波长λ＝633nm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，在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括L、W、H、C，以出射光中交叉偏振反射率最高和同向偏振反射率最低为优化对象，扫描结果如图2所示。在工作波长为633nm时，交叉偏振的反射率大于65％，此时纳米单元的结构参数为：L＝200nm、W＝100nm、H＝220nm、C＝300nm。

本发明中多功能超表面中每一个纳米单元结构等效为一个半波片，以单个纳米单元结构为例，如图1，以基底工作面的两个直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，则等效为半波片的纳米砖的琼斯矩阵可表示为：当圆偏光入射时(左旋圆偏光或右旋圆偏光的琼斯矢量为)，经过纳米砖反射后，可表示为：

由(1)式可知，反射光为一个反向偏振态的圆偏光并伴随着一个2φ的相位改变量。由此可知，可以通过改变纳米砖的转向角φ来调控反射光的相位。

此外，多功能超表面作为半波片，当入射光为线偏光时，经过纳米砖反射后，其偏振方向发生改变，如图3所示，在本实施例中以x线偏光为例进行说明，若x线偏光的偏振方向与纳米砖的长轴方向夹角为θ/2，在经过纳米砖反射后，出射线偏光的偏振方向为θ。若使出射线偏光经过一检偏方向沿x轴的检偏器，根据马吕斯定理，即：

I＝I₀(cosθ)² (2)

其中，I₀为经超表面后出射光的光强，θ为出射线偏光的偏振方向与检偏器检偏方向的夹角(由于入射线偏光为x线偏光与检偏器检偏方向相同，因此这里也等于出射线偏光偏振方向与入射x线偏光偏振方向的夹角)，，为经检偏器后线偏光的光强，可以通过改变θ的大小改变光强从而实现任意的灰度调节。如图4所示，若保持一个恒定的出射光强，在本实施例中也可等效为出射线偏光偏振方向与入射x线偏光的偏振方向的夹角为一恒定的角度|±θ|，则纳米砖的长轴方向即转向角可为θ/2、-θ/2、90°+θ/2、-90°-θ/2四种角度，即在保持恒定的灰度条件下，相位调控量有θ、-θ、180°+θ、-180°-θ四种设计自由度。

将多功能超表面上的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。在此基础上，利用多功能超表面的相位调制，结合模拟退火算法，可将多功能超表面设计为一个全息片，以圆偏光入射时，在远场呈现一个全息图。因为两种调控方式互相独立、互不影响，所以其所显示的近场灰度图像与远场全息图像也具有不相关性。

基于上述的原理和设计，多功能超表面可以通过两种不同的调控方式即相位调控和偏振调控，产生两种互不影响的响应。通过对超表面上纳米砖阵列的转向角进行设计，可以通过偏振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一个全息图像。在本实施方案中，以“Lina”图像作为近场灰度图像和“玛丽莲梦露”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所示。由于两种响应互相独立，产生的近场图像和远场图像也无相关性，因此无法由任意图像推断出另一个图像内容，从而考虑将多功能超表面应用于加密显示中。若将远场全息图像作为加密图像，无法从近场灰度图像推测到全息图像的信息，反之亦然，所以可以实现高安全性能的加密技术，并将其应用于防伪检测，鬼影成像和隐写术等。

本发明基于微纳半波片的多功能超表面，可同时实现偏振调制和相位调制两种调控方式，在近场产生高分辨率的连续灰度影像，在远场产生全息影像，且两种调控模式相互独立，互不影响。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，由基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列构成，对光波同时进行偏振调制和相位调制，在近场产生高分辨率的连续灰度图像，在远场产生全息图像。

2.根据权利要求1所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，多功能超表面采用SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构，顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅-硅作为基底。

3.根据权利要求2所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，基底可划分为多个纳米单元结构，每个纳米单元结构均由一个边长为C的正方形的工作面和该工作面上刻蚀的一个纳米砖构成，所述的纳米砖结构尺寸长L、宽W、高H根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到，且均为亚波长级，以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角φ为纳米砖的转向角。

4.根据权利要求2或3所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能等效为一个半波片，其功能可表示为：

其中，φ为纳米砖的转向角，设相位改变量为则以圆偏光入射时，出射一个带有2φ相位改变量的交叉偏振的圆偏光。

5.根据权利要求2或3所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，多功能超表面上的每个纳米单元结构等效为半波片，当以线偏光入射时，若入射线偏光的偏振方向与纳米砖长轴方向夹角为θ/2，则出射线偏光的偏振方向与入射偏振方向的夹角θ，所述的出射线偏光通过检偏器后符合马吕斯定理，即

I＝I₀cos²θ

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，可以通过改变θ的大小实现任意的灰度调节，假设入射线偏光为x线偏光，为得到偏振方向与x线偏光的偏振方向夹角为|θ|的出射线偏光，纳米砖的转向角可为θ/2、-θ/2、90°+θ/2、-90°-θ/2四种角度，由此可在出射光光强相同的情况下获得四种相位调控量的设计自由度。

6.根据权利要求5所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，由于每个纳米砖具有四种相位调控的自由度，结合模拟退火算法，可利用相位调控量将所述多功能超表面设计为一个全息片，在远场实现全息显示。

7.根据权利要求2或3所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，当线偏光入射多功能超表面时，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，通过对纳米砖阵列的转向角分布进行设计，使反射光在近场显示一个高分辨率的连续灰度图像。

8.根据权利要求2或3所述的基于微纳半波片的多功能超表面，其特征在于，将多功能超表面产生的近场灰度图像和远场全息图像中任意一个图像作为加密信息，可以实现加密显示。