CN110442007B - 全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，属于微纳光学技术领域。该方法使用具有不同光谱响应的非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线在超颖表面上的空间排布编码彩色印刷的目标图案，同时利用其面内方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布，将超颖表面彩色印刷技术与波长复用的超颖表面全息图集成到了一个单层的全介质超颖表面中。全介质超颖表面在白光照射下呈现为显微彩色图像，同时在特定的几个波长的相干单色激光照射下能够在远场分别再现出不同的全息再现像，具有极高的信息容量，且提供了一种隐藏秘密信息的方法，在数据存储，全息显示，信息加密和防伪等多个领域都具有很大潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种超颖表面波前调制方法，尤其涉及一种全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，属于微纳光学、结构色彩色印刷、全息显示、信息加密应用技术领域。
背景技术
超颖表面通常由亚波长尺寸的周期、准周期或随机排列的金属或介质纳米天线阵列构成，能够以亚波长尺度对光场的振幅与相位进行高分辨率调制，在数据存储，信息处理，光束整形，微纳全息，偏振控制等领域都具有很大的潜力。其中，将全息原理与超颖表面相结合的微纳全息术是一个前沿热点领域，该技术能够促进全息器件的微型化，增大信息容量，消除高阶衍射级次，增大视场角等。另一方面，光谱调制为设计超颖表面提供了另一个自由度。通常，超颖原子的几何形状、材料性质和空间排列都会影响超颖表面的光谱响应，使其光谱透射率和光谱反射率等光谱特性发生变化，以便实现所需的各种功能。在现有的光谱调制应用中，基于超颖表面光谱响应的彩色印刷具有很大的潜力，其亚波长的分辨率远远超越了当前的普通颜色显示技术的分辨率极限，且与普通染料和油墨相比具有无毒无污染、抗氧化等优点。
尽管目前超颖表面彩色印刷技术已经实现了偏振复用彩色印刷以及动态多色彩色印刷等功能，但目前报道的彩色印刷超颖表面通常不能重建全息图像，因为彩色印刷超颖表面无法编码相位分布或深度信息。同样的，超颖表面全息图也无法用来调制光谱响应，在非相干光的照射下通常呈现为随机的无特征的图案。为了充分利用超颖表面具有的优异的波前调控能力和极高的设计自由度，迫切需要一种能够通过单个超颖表面同时对波前的空间信息和光谱信息进行调制的方法，以便将微纳全息技术与超颖表面彩色印刷技术相结合，进一步提高超颖表面的信息容量。然而近年来，仅有很少的相关研究展示了同时实现彩色印刷和全息加密的可能性([1]Lim,K.T.P.,Liu,H.,Liu,Y.&Yang,J.K.W.Holographiccolour prints for enhanced optical security by combined phase and amplitudecontrol[J].Nat.Commun.,2019,10(25).采用独特而复杂的像素设计，将介质相位片置于由介质柱阵列构成的结构色调制单元之下，与后者整合到一起组成该种超颖表面的基本调制单元。介质相位片通过引入光程差来调制透射光的相位，而光程差则取决于介质相位片的厚度及其折射率；另一方面，改变介质柱阵列的高度、直径和间距，即能够获得各种不同的结构色。显然，该种超颖表面由集成结构组成的基本调制单元设计和加工过程都相对复杂和低效。[2]Yoon,G.,Lee,D.,Nam,K.T.&Rho,J."Crypto-Display"in Dual-Modemetasurfaces by simultaneous control of phase and spectral responses[J].ACSNano,2018,12:6421-6428.在彩色印刷模式下使用两种介质纳米天线调制出了不同的结构色，但未针对超颖表面全息图模式进行结构优化，导致两种介质纳米天线在超颖表面全息图模式下对应了同一个波长，仅能记录一幅全息再现像)，且这些已报道的方法或是存在着设计复杂、加工困难的缺陷，或是可控性不足，在实现超颖表面彩色印刷的同时仅能记录一幅全息再现像。
上述缺陷大大限制了这些方法的实际应用前景。目前，几乎没有加工简单，可控性强，可通过波长复用记录多层次的全息信息，同时调制光谱和空间信息的超颖表面被提出。
发明内容
本发明的目的是提供一种全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，该方法能够同时调制超颖表面的光谱响应和出射波前的空间相位分布，将超颖表面彩色印刷技术与波长复用的超颖表面全息图集成到一个单层的全介质超颖表面中。按照彩色印刷目标图案排布相应的超颖表面基本组成单元，并将针对多个波长的多个全息图编码到所述的全介质超颖表面中，则该超颖表面在白光照射下呈现为显微彩色图像，同时在特定的几个波长的相干单色激光照射下能够在远场分别再现出不同的全息再现像，实现针对波长的全息复用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，
步骤一、使用具有不同光谱响应的多种介质纳米天线作为基本组成单元来构建全介质超颖表面，所述的多种介质纳米天线的光谱响应需进行优化以获得超颖表面彩色印刷模式下所需的结构色，此时能够得到彩色图案区域划分情况；
步骤二、波长复用超颖表面全息图的空间相位分布是通过并行Gerchberg-Saxton算法获得的。所述算法能够针对超颖表面彩色印刷模式下的彩色图案区域划分，同时独立获得波长复用超颖表面全息图针对不同波长的不同相位分布；然后使用几何相位调制原理实现相位调制，最终实现彩色印刷和全息加密共同调制；
首先，依据彩色印刷的彩色图案区域划分，将多种介质纳米天线分别排布在超颖表面上，每种介质纳米天线对应彩色图案区域中的一种色彩；在使用多种介质纳米天线的空间排布编码彩色印刷的目标图案的同时，还需要使用介质纳米天线面内方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布，即分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的。
其次，利用傅立叶变换传播函数，在全息图平面和不同波长的再现平面之间分别建立起相互平行的、独立的计算每个颜色通道的迭代循环。考虑到分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的，故只保留该色彩通道中有图案的区域的相位分布，而在所有其他区域将振幅和相位设置为零。与此同时，在重建平面上使用振幅替换反馈函数，能够加速该算法的收敛。
最后，将彼此平行计算的针对不同颜色通道和不同全息再现波长的多个不同区域整合到一起，形成最终的与彩色印刷相结合的波长复用超颖表面全息图。根据波长复用超颖表面全息图的相位分布确定旋转角，经过几何相位调制，最终实现彩色印刷和全息加密共同调制；由于每个子全息图都已被优化为彩色印刷对应的图案的形状，因此能够最大程度地避免串扰。
所述的多种介质纳米天线为介质偶联极子天线和介质纳米棒天线；
所述的介质偶联极子天线和介质纳米棒天线是非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线；
所述的多种介质纳米天线需要满足以下三个要求。第一，多种介质纳米天线的正交圆偏振光透射光谱响应必须对应不同的结构色。第二，多种介质纳米天线的振幅响应必须在波长复用超颖表面全息图模式下所使用的复用波长处有足够的差异，以提供足够的效率并避免串扰。第三，多种介质纳米天线的相位调制需要独立于各自光谱响应；
所述多种介质纳米天线的形状和尺寸与光谱响应结构色的对应关系通过严格耦合波分析法(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)确定；
所述几何相位调制原理调制相位的具体方法为：将目标光场的空间相位分布编码用超颖表面中多种介质纳米天线的方位角排布。基于几何相位独特的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质偶联极子天线或介质纳米棒天线上时，能够对右/左旋圆偏出射光形成大小为±2θ的相位调制，其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合(左旋/右旋，右旋/左旋)决定的。利用几何相位调制原理，获得的相位只依赖于介质偶联极子天线和介质纳米棒天线的方位角，因而不会对超颖表面的光谱响应产生影响。
有益效果：
1、本发明公开的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，能够同时调制超颖表面的光谱响应和出射波前的空间相位分布，将超颖表面彩色印刷技术与波长复用的超颖表面全息图集成到一个单层的全介质超颖表面中。该种全介质超颖表面在白光照射下呈现为显微彩色图像，同时在特定的几个波长的相干单色激光照射下能够在远场分别再现出具有较高效率的不同的全息再现像，实现针对波长的全息复用。由于集成了光谱信息和针对多个波长的空间相位分布信息，本发明公开的全介质超颖表面具有极高的信息容量，可控性强，在信息处理，信息存储等领域有很大的潜力；
2、本发明公开的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其全息再现像不能从彩色印刷图案中推断出来，这意味着在本发明公开的全介质超颖表面的光谱响应完全独立于其空间响应。利用这一特性，该种全介质超颖表面能够应用于需要隐藏秘密信息的数据安全，保密和防伪等领域；
3、本发明公开的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，仅使用单层的全介质超颖表面，所选用的基本组成单元也并不复杂，具有加工简单快捷，成本相对较低的优势；
4、本发明公开的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，使用非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线作为基本组成单元，用微纳结构的光谱响应产生结构色，具有亚波长周期性质，在彩色印刷模式下色彩分辨率极高，且具有无毒无污染，抗氧化的优点。
5、本发明公开的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，使用并行Gerchberg-Saxton算法获得波长复用超颖表面全息图的空间相位分布，避免了多幅全息图裁剪后相加时由于像素数减少而导致的信息丢失，缓解了复用超颖表面全息图对应再现像的质量下降。
附图说明
图1为本发明公开的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法的流程图；
图2为本实施例公开的同时调制光谱和空间信息的全介质超颖表面所选用的非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的形状尺寸比例示意图，及其在圆偏振光入射情况下的正交偏振光谱透射率曲线，所对应的光谱响应结构色，相位和透射率随面内方向角的变化曲线；图(a)为非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的形状尺寸比例示意图；图(b)为非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的正交圆偏振光光谱透射率曲线；图(c)为非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线正交圆偏振光光谱透射率曲线所对应的结构色在CIE 1931色空间色度图中的位置；图(d)为非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线相位和透射率随面内方向角的变化曲线；
图3为本实施例使用的并行Gerchberg-Saxton算法的算法流程示意图；
图4为实施例所加工出的样品的扫描电子显微镜照片及实施例所使用的实验装置；图(a)为实施例所加工出的样品的扫描电子显微镜照片；图(b)为实施例所使用的实验装置示意图；
图5为实施例所加工出的样品的实际超颖表面彩色印刷显微照片和样品在不同波长相干单色激光照射下实际再现出的全息图像；图(a)为实施例所使用的用于超颖表面彩色印刷的“地球地图”双色图案；图(b)为实施例所加工出的样品的在白光照射下的显微照片；图(c)为波长复用超颖表面全息图的目标图像“红花”和“绿叶”的计算机模拟再现结果；图(d)为用绿光(532nm)和红光(650nm)同时照射实施例所加工出的样品时，实验重建出的“红花”和“绿叶”全息图像；图(e)为通过超连续谱激光器研究实施例所加工出的样品的宽带光谱特性，在500-690nm波段的实验再现全息图像。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1
基于全介质超颖表面同时调制光谱和空间信息，将超颖表面彩色印刷技术与波长复用的超颖表面全息图集成到一个单层的全介质超颖表面中。
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一：使用光谱响应对应着不同结构色的多种介质纳米天线作为基本组成单元来构建全介质超颖表面，并按照彩色印刷目标图案将不同介质纳米天线排布到不同的空间区域中，从而实现超颖表面彩色印刷。
同时，为了在调制光谱信息的同时独立地调制空间相位信息，使用几何相位调制原理实现相位调制，利用介质纳米天线的方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布。由于几何相位独特的手性选择性的相位调控特性，在确定介质纳米天线的结构尺寸时，需要针对介质纳米天线的正交圆偏透射率光谱曲线进行优化分析，以获得超颖表面彩色印刷模式下所需的结构色。选用的介质偶联极子天线和介质纳米棒天线需要满足以下三个要求。第一，介质偶联极子天线和介质纳米棒天线各自的正交圆偏透射光谱响应必须对应不同的结构色。第二，介质偶联极子天线和介质纳米棒天线的振幅响应必须在波长复用超颖表面全息图模式下所使用的复用波长处有足够的差异，以提供足够的效率并避免串扰。第三，介质偶联极子天线和介质纳米棒天线的相位调制需要独立于其光谱响应。
如图2所示，通过基于严格耦合波分析法(RCWA)和时域有限差分法(FDTD)进行的一系列仿真模拟，选取了非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线作为全介质超颖表面的基本组成单元，其形状尺寸比例示意图如图2(a)所示。选择偶联极子结构是为了提供额外的设计自由度，以防非晶硅在可见光光谱范围内的高折射率以及天线尺寸过小对加工精度造成限制。通过改变所选用的两种介质纳米天线的高度(H)，长度(L)，宽度(W)和偶联极子结构的间隙宽度(gap)，能够依据不同尺寸的结构在绿光和红光波长范围的正交圆偏振光透射率选取最为合适的结构尺寸。此实施例中，非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的高度为300nm，两者在x和y方向的周期均为300nm，其他几何参数如下：非晶硅偶联极子天线的长度L1为90nm，宽度为50nm，间隙宽度为80nm；而非晶硅纳米棒天线的长度L2为125nm，宽度为90nm。
上述非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线通过严格耦合波分析法(RCWA)计算所得的正交圆偏振光光谱透射率曲线如图2(b)所示。可见，两种结构的正交圆偏振光光谱透射率曲线都显示出相当好的波长选择性，在波长复用超颖表面全息图的目标波长下(非晶硅偶联极子天线为540nm，非晶硅纳米棒天线为645nm)，正交圆偏振光光谱透射率相对较高，分别为20％和50％，而两个波长之间的串扰小于5％。为了定量评价正交圆偏振光光谱透射率曲线对应的结构色，将图2(b)中的两条光谱响应曲线转化为CIE 1931色空间色度图中的点，将其对应的位置标记在了图2(c)中，非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线完全不同的光谱响应对应着不同的颜色用以实现白光照明下的超颖表面彩色印刷。
步骤二：采用并行Gerchberg-Saxton算法，实现超颖表面彩色印刷模式下的彩色图案区域划分，同时独立获得波长复用超颖表面全息图针对不同波长的不同相位剖面。通过几何相位调制原理实现相位调制，利用介质纳米天线的方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布。
在此实施例中，非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的正交圆偏透射光的光谱响应分别对应于绿色和红色，故需要按照彩色印刷的目标图案将非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线分配到不同颜色对应的不同的空间区域中，以便实现超颖表面彩色印刷。在使用非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线在超颖表面上的空间排布编码彩色印刷的目标图案的同时，还需要使用其面内方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布，即分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的。然而，这会造成针对不同波长的全息图均无法使用全部像素，尽管全息图的冗余性确保了裁剪后的全息图仍能重建出正确的再现像，但由于像素数的减少而导致的信息丢失仍会使再现像的质量下降。为了解决这个问题，应用了一种改进的并行Gerchberg-Saxton算法，该算法能够实现超颖表面彩色印刷模式下的彩色图案区域划分，同时独立获得波长复用超颖表面全息图针对不同波长的不同相位剖面确保最终的纯相位全息图能够以良好的波长选择性针对不同波长分别重建出高质量的再现像。
使用的并行Gerchberg-Saxton算法的算法流程示意图如图3所示，其具体步骤如下：
步骤2.1：依据彩色印刷的目标图案，对超颖表面进行区域划分，将非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线分别排布在超颖表面上对应着目标图案绿色区域和红色区域的位置上。在使用非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的空间排布编码彩色印刷的目标图案的同时，还需要使用其面内方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布，即分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的。
步骤2.2：利用傅立叶变换传播函数，在全息图平面和不同波长的再现平面之间分别建立起相互平行的，独立的计算每个颜色通道的迭代循环。考虑到分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的，故只保留该色彩通道中有图案的区域的相位分布，而在所有其他区域将振幅和相位设置为零。于此同时，在重建平面上的使用振幅替换反馈函数，能够加速该算法的收敛。
步骤2.3：将彼此平行计算的针对不同结构色颜色通道和不同全息再现波长的多个不同区域整合到一起，形成最终的与彩色印刷相结合的波长复用全息图。由于每个子全息图都已被优化为彩色印刷对应的图案的形状，因此能够最大程度地避免串扰。
此外，在将不同的全息图像进行融合进行彩色全息的情况下，适当地引入基于不同波长的预补偿处理，即能够确保不同波长再现像的尺寸相互匹配。
为了验证所选结构满足几何相位的相位调控特性，采用有限差分时域(FDTD)方法进行了数值仿真。图2(d)展示了非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线在540nm和645nm处的相位和正交圆偏振光透射率随面内方向角的变化曲线。仿真结果表明，在0到2π的全相位范围内，正交圆偏振光的透射率基本保持均一。因此，利用几何相位调制原理，获得的相位只依赖于非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的方位角，而不会对其光谱响应相应产生影响，使用该方法能够满足同时实现超颖表面彩色印刷和波长复用全息显示的要求。
步骤三：通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程将全介质超颖表面加工在玻璃基底上，该超颖表面在白光照射下呈现为显微彩色图像，同时在特定的几个波长的激光照射下能够在远场分别再现出不同的全息再现像。该方法将超颖表面彩色印刷于多波长全息复用结合在了一起，实现了光谱和空间信息的同时调制。
能够同时调制光谱和空间信息的全介质超颖表面是通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程加工在玻璃基底上的，其具体实现方法包括如下步骤：
步骤3.1：通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，制备300nm厚的非晶硅薄膜。随后，将聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂层旋涂于非晶硅薄膜上，并在加热板上以170℃烘烤2分钟以去除溶剂；
步骤3.2：用标准电子束光刻法制作出所需的结构，随后在1:3的MIBK:IPA溶液中显影样品，并用IPA洗涤，之后通过电子束蒸发涂覆20nm厚的铬层；
步骤3.3：在热丙酮中完成剥离过程；
步骤3.4：利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)将所需的结构从铬转换为硅。
根据设计，实施例所加工出的全介质超颖表面样品的尺寸为200μm×200μm，包含666×666个像素，由分别对应绿色和红色的非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线排布而成，而非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线的面内方位角则为全息模式下的相位调制功能提供了自由度。样品的三张放大率不同的扫描电子显微镜照片如图4(a)所示，可见其加工精度基本满足设计要求。
为了实验验证实施例所加工样品的光学特性，需使用图4(b)所展示的实验装置对加工出的全介质超颖表面进行实验验证。该样品使用几何相位调制原理实现相位调制，故需要在样品前后分别放置一个线性偏振器(LP)和四分之一波片(QWP)的组合，用以制备和选择入射光与透射光所需的圆偏振状态，满足几何相位调制原理独特的手性选择性。样品后方放置了一个显微物镜(40×/NA＝0.6)用以捕获图像，在超颖表面彩色印刷模式下，目标双色图案能够在白光照明下用显微物镜直接观察到；而在波长复用全息显示模式的模式下，用单色相干激光光源照射样品，重建出的全息再现像位于k空间中，需要在显微物镜后方放置一个透镜以便用CCD照相机观察傅立叶平面。需要注意的是，为了收集到样品出射的所有衍射光并在傅里叶平面上重建全息图像，需仔细选择物镜的放大率和数值孔径。
实验结果如图5所示，图5(a)为实施例所使用的用于超颖表面彩色印刷的“地球地图”双色图案；图5(b)为实施例所加工出的样品的在宽带白光照射下的“地球地图”显微照片。实验结果表明，在“地球地图”的海洋区域排列的非晶硅偶联极子天线呈现深绿色，而在陆地区域排列的非晶硅纳米棒天线则呈现橙色，设计图样与实验结果之间的色差主要是由于材料性能的偏差和加工过程中引入的结构尺寸误差，是可以接受的。另一方面，通过使用绿色和红色的圆偏振激光(532nm与650nm)同时照射该全介质超颖表面，能够在k空间中观察到具有高分辨率和且放大率相互匹配的“红花”和“绿叶”的目标全息再现像，其与目标图像之间的对比如图5(c)和图5(d)所示。
此外，图5(e)为通过超连续谱激光器研究实施例所加工出的样品的宽带光谱特性时，在500-690nm波段的实验再现全息图像。可见，在510-540nm波长范围内能够观察到没有明显“绿花”图像串扰的“绿叶”图像，而在640-670nm波长范围内能够观察到没有“红叶”图像干扰的“红花”图像。而在550-630nm的波长范围内，“叶”和“花”将被观测到同时重建，这是因为尽管非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线具有相当好的波长选择性，但非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线在一定的光谱范围内仍然具有非零透射率。在这些波长下，“叶”和“花”的两个重建图像之间的强度相差不大，从而导致了两个全息通道之间的串扰和低对比度。
综上所述，本实施例提供了一种基于全介质超颖表面的同时调制光谱和空间信息的方法，该方法能够同时调制超颖表面的光谱响应和出射波前的空间相位分布，将超颖表面彩色印刷技术与波长复用的超颖表面全息图集成到一个单层的全介质超颖表面中。该全介质超颖表面在白光照射下呈现为显微彩色图像，同时在特定的几个波长的相干单色激光照射下能够在远场分别再现出不同的全息再现像，能够实现针对波长的全息复用。该全介质超颖表面具有极高的信息容量，且能够隐藏秘密信息，可广泛应用于数据存储，全息显示，信息加密和防伪等多个领域。
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 (6)
1.全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、使用具有不同光谱响应的多种介质纳米天线作为基本组成单元来构建全介质超颖表面；所述的多种介质纳米天线的光谱响应需进行优化以获得超颖表面彩色印刷模式下所需的结构色，此时能够得到彩色图案区域划分情况；
步骤二、通过并行Gerchberg-Saxton算法获得超颖表面全息图的空间相位分布；所述算法能够针对超颖表面彩色印刷模式下的彩色图案区域划分，并且获得超颖表面全息图针对不同波长的不同相位分布；然后使用几何相位调制原理实现相位调制，最终实现彩色印刷和全息加密共同调制；
其中，步骤二的具体步骤如下：
首先，依据彩色印刷的彩色图案区域划分，将多种介质纳米天线分别排布在超颖表面上，每种介质纳米天线对应彩色图案区域中的一种色彩；在使用多种介质纳米天线的空间排布编码彩色印刷的目标图案的同时，还需要使用介质纳米天线面内方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布，即分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的；
其次，利用傅立叶变换传播函数，在全息图平面和不同波长的再现平面之间分别建立起相互平行的、独立的计算每个颜色通道的迭代循环；考虑到分配给每个全息图的相位分布区域是由彩色印刷的图案索引的，故只保留该颜色通道中有图案的区域的相位分布，而在所有其他区域将振幅和相位设置为零；与此同时，在重建平面上使用振幅替换反馈函数，能够加速该算法的收敛；
最后，将彼此平行计算的针对不同颜色通道和不同全息再现波长的多个不同区域整合到一起，形成最终的与彩色印刷相结合的波长复用超颖表面全息图；根据波长复用超颖表面全息图的相位分布确定旋转角，经过几何相位调制，最终实现彩色印刷和全息加密共同调制。
2.如权利要求1所述的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其特征在于：所述的多种介质纳米天线为介质偶联极子天线和介质纳米棒天线。
3.如权利要求2所述的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其特征在于：所述的介质偶联极子天线和介质纳米棒天线是非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线。
4.如权利要求2所述的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其特征在于：所述的多种介质纳米天线需要满足以下三个要求；第一，多种介质纳米天线的正交圆偏振光透射光谱响应必须对应不同的结构色；第二，多种介质纳米天线的振幅响应必须在波长复用超颖表面全息图模式下所使用的复用波长处有差异以提供效率，避免串扰；第三，多种介质纳米天线的相位调制需要独立于各自光谱响应。
5.如权利要求1或2或4所述的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其特征在于：所述多种介质纳米天线的形状和尺寸与光谱响应结构色的对应关系通过严格耦合波分析法(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)确定。
6.如权利要求2所述的全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，其特征在于：所述几何相位调制原理调制相位的具体方法为：将目标光场的空间相位分布编码用超颖表面中多种介质纳米天线的方位角排布；基于几何相位独特的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质偶联极子天线或介质纳米棒天线上时，能够对右/左旋圆偏出射光形成大小为±2θ的相位调制，其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合决定的；利用几何相位调制原理，获得的相位只依赖于介质偶联极子天线和介质纳米棒天线的方位角，因而不会对超颖表面的光谱响应产生影响。
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