CN110488589A - 一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面。该超表面由多个结构单元周期性阵列于一平面上构成；所述结构单元包括透明基底和纳米砖；透明基底放置于该平面上，纳米砖沉积于透明基底上。该超表面利用结合马吕斯定律及几何相位原理通过对光波的振幅调制和相位调制产生振幅型全息及相位型全息图像，可以同时在远场实现振幅型全息与相位型全息。两种全息实现方式相互独立，互不影响。本发明可应用于偏振显示、加密、防伪等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及全息领域，尤其涉及一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面。
背景技术
超表面作为一种超薄的亚波长结构，可以设计为平面光学器件实现很多功能，并且通过嵌入更多的控制方式可以进一步改善超表面的功能。与传统的衍射光学元件相比，超表面的这种复用能力具有明显优势，例如波长复用、入射角复用、非线性复用等，利用这些复用方式可以使一片超表面在远场产生多幅全息图。本发明提出了一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面，为超表面复用提供了一种新的方式，该复用方式容易与其它复用方式结合，实现更多的功能及设计自由度，因此具有很好的应用发展前景。
发明内容
本发明提出一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面，该超表面通过结合马吕斯定律及几何相位原理，可以同时在远场实现独立实现振幅型全息与相位型全息两种全息方式。
本发明的技术方案如下：
一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面，由多个结构单元周期性阵列于一平面上构成；
所述结构单元包括透明基底和纳米砖；透明基底放置于该平面上，纳米砖沉积于透明基底上；
该超表面通过对光波的振幅调制和相位调制产生振幅型全息及相位型全息图像。
具体的，入射光波在工作波长通过纳米砖时，通过优化设计，使得偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射。
具体的，所述基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级。
具体的，所述L、W和H根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到。
具体的，以单元结构直角边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。
更进一步，所述转向角θ的工作范围为0到180°
更进一步，所述超表面对圆偏振光的相位调节量为
更进一步，所述超表面通过改变转向角θ调制透射光光强。
更进一步，在入射光光强和出射光光强保持恒定的情况下，纳米砖的转向角有θ和180°-θ两个可选角度，由此可提供2θ和360°-2θ两种相位调控量的设计自由度。
具体的，所述透明基底为熔融石英玻璃材料；所述纳米砖的材料包括金、银和铝。
调制原理：
在本发明提供的技术方案中，纳米单元阵列中每个纳米结构单元都等效为一个偏振器，其对圆偏振光实现相位调节功能可由下式说明：
其中，为纳米砖对圆偏振入射光的相位调控量。以圆偏光入射时，将出射一个带有2θ相位改变量的反向偏振态圆偏光和一个同向偏振态圆偏光。
每个纳米结构单元都适用于马吕斯定理，即：
I＝I0(cosθ)2
其中，I0为入射x线偏光光强，θ为纳米砖长轴与x线偏光偏振方向的夹角，I为出射线偏光的光强，可以通过改变θ的大小实现任意透射光强调制。
在上述技术方案基础上，当线偏振光入射至所述多功能超表面后，再经过一个检偏器，其光强被多功能超表面调制。通过对纳米砖阵列的转向角分布设计，可将所述的超表面设计为一个振幅型全息片，使其透射光在远场显示一幅第一全息图像。
在上述技术方案基础上，由于每一个纳米砖具有两种相位调控的自由度，结合模拟退火算法，可利用所述的相位调控量将所述的超表面设计为一个相位型全息片，在远场显示一幅第二全息图像。
本发明的有益效果：
(1)本发明所设计的超表面，具有复合振幅和相位两种调控方式，两种调控方式可分别独立控制，在远场同时产生两个全息图像，并且两个图像不会相互影响；
(2)由于该超表面产生的两个远场图像的不相关性，无法从近场图像推断出远场图像，可应用于偏振显示、加密、防伪等领域，为未来的安全技术提供一种新的方法和途径；
(3)纳米单元结构尺寸均为亚波长级，超表面体积小、重量轻、高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展；
(4)该超表面为二台阶平面结构，结构简单，可用于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中纳米结构单元的结构示意图；
图2为实施例1中纳米结构单元的俯视图；
图3为实施例1中纳米结构单元透反射率扫描图；
图4为实施例1中超表面作为偏振器实现马吕斯定律原理图；
图5为实施例1中超表面局部纳米结构阵列俯视图；
图6、图7为本发明实施例1中超表面实现同时产生振幅型全息和相位型全息效果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图具体说明本发明的实施方式和原理设计以及技术效果。
实施例1
一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面，由多个结构单元周期性阵列于一平面上构成；所述透明基底为熔融石英玻璃材料；所述纳米砖的材料包括金、银和铝。
所述结构单元包括透明基底和纳米砖；透明基底放置于该平面上，纳米砖沉积于透明基底上。结构单元的结构如图1所示。
所述基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级。所述L、W和H根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到。
以单元结构直角边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。转向角θ的工作范围为0到180°。所述超表面对圆偏振光的相位调节量为 所述超表面通过改变转向角θ调制透射光光强。在入射光光强和出射光光强保持恒定的情况下，纳米砖的转向角有θ和180°-θ两个可选角度，由此可提供2θ和360°-2θ两种相位调控量的设计自由度。
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的尺寸和中心间隔均相同，每个结构单元的转动角θ均可自行设定和优化。该超表面纳米结构单元等效为偏振器工作，以偏振方向相互垂直的两束线偏光入射，纳米单元结构尺寸根据这两束入射光的透过率和反射率进行优化得到，使得偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射。
以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，当纳米砖朝向角为0时，以偏振方向分别沿x轴和y轴的两束线偏光(x线偏光和y线偏光)同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括L、W、H、C，以x线偏光的反射率最高透射率最低和y线偏光的透射率最高反射率最低为优化对象，扫描结果如图3所示。在该工作波长情况下，x线偏光反射率和y线偏光透射率均大于90％，且x线偏光透射率和y线偏光反射率均小于10％，此时纳米单元的结构参数为：L＝160nm，W＝80nm，H＝70nm，C＝300nm。因此，在优化好的纳米单元结构参数下，可以使入射于该超表面的x线偏光反射、y线偏光透射。
本发明中的超表面单元结构具有偏振器的功能，对于入射的x线偏光，如图4所示，在经过转向角为θ的纳米砖后，光强受到调制，调制方式符合马吕斯定律：
I＝I0(cosθ)2
其中，I0为入射x线偏光光强，θ为纳米砖长轴与x线偏光偏振方向的夹角，I为出射线偏光的光强，可以通过改变θ的大小实现任意透射光强调制，从而实现振幅型全息。
由于纳米砖的转向角θ的有效工作范围为0到180°，由图4可以发现，在所述的入射光强I0和所述的出射光光强保持恒定的情况下，可选取两个角度即θ和180°-θ，这将为后续设计提供重要作用。
以纳米砖中心为原点建立xoy坐标系，如图2所示。等效为偏振器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)，经过纳米砖透射后光矢量可表示为：
由上式可知，透射光为一个带有2θ相位改变量的反向偏振态圆偏光和一个相位未被调制的同向偏振态圆偏光。由此可知，纳米砖转向角θ与入射光相位改变的关系为因此可以通过改变纳米砖的转向角来调节和控制透射光的相位。利用该超表面的相位调制，结合模拟退火算法，可将其设计为一个相位型全息片，通过入射圆偏光在远场呈现一个全息图。图5为本实施例的超表面局部纳米结构阵列俯视图。
应用实施例1
1.利用实施例1所制备的超表面实现振幅型全息图像
以马吕斯及马吕斯公式作为振幅型全息图像，效果如图6所示。
2.利用实施例1所制备的超表面实现相位型全息图像
以字母“Geometric Metasurface Hologram”作为远场全息图像进行超表面设计，效果如图7所示。
可根据需求设定工作波长、振幅型全息图像和相位型全息图像。由于两种响应互不影响，产生的近场图像和远场图像也无相关性，所以无法从一个图像推断出另一个全息图像，因此可将该超表面应用于偏振显示、加密、防伪等领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种同时实现振幅型全息与相位型全息的超表面，其特征在于：
由多个结构单元周期性阵列于一平面上构成；
所述结构单元包括透明基底和纳米砖；透明基底放置于该平面上，纳米砖沉积于透明基底上；
该超表面通过对光波的振幅调制和相位调制产生振幅型全息及相位型全息图像。
2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：入射光波在工作波长通过纳米砖时，通过优化设计，使得偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射。
3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级。
4.根据权利要求3所述的超表面，其特征在于：所述L、W和H根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到。
5.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：以单元结构直角边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。
6.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于：所述转向角θ的工作范围为0到180°。
7.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于：其对圆偏振光的相位调节量为
8.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于：通过改变转向角θ调制透射光光强。
9.根据权利要求5或6所述的超表面，其特征在于：在入射光光强和出射光光强保持恒定的情况下，纳米砖的转向角有θ和180°-θ两个可选角度，由此可提供2θ和360°-2θ两种相位调控量的设计自由度。
10.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述透明基底为熔融石英玻璃材料；所述纳米砖的材料包括金、银和铝。
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