CN110488591A - 一种可实现全空间全息的叠层超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种可实现全空间全息的叠层超表面，涉及微纳光学及全息领域。该超表面由基底层，第一纳米砖阵列层，隔离层，第二纳米砖阵列层构成，可同时实现对透射光和反射光的相位调制。当光入射至该超表面时，部分光发生反射，在反射空间内形成全息图像；部分光发生透射，在透射空间内形成全息图像。两个全息图像相互独立，互不影响。本发明可应用于高端显示、虚拟现实、增强现实等领域。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学及全息领域，尤其涉及一种可实现全空间全息的叠层超表面。
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，如大数值孔径透镜、角反射器、涡旋光发生器、消色差透镜等。超表面也可以用来设计全息片，与传统衍射光学元件相比，其具有设计灵活、空间分辨率高、衍射角大等诸多优势。目前超表面单元结构工作在透射模式或反射模式，其产生的全息图像位于透射空间或反射空间。全空间全息不仅有利于扩大全息信息容量、为信息复用提供一种新的方式，还可为高端显示、虚拟现实、增强现实等领域提供一种新的技术方案。因此，全空间全息具有很好的应用发展前景。
目前，暂未发现将超表面技术应用于全空间全息图像的实例。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可实现全空间全息的叠层超表面，该超表面通过将一层半透半反式超表面与一层透射式超表面通过隔离层连接起来，可以在透反射空间均形成全息图案。
本发明采用叠层设计将一层半透式半反式超表面与一层透射式超表面连接起来，即将两块纳米砖层通过隔离室分开,即进行叠层放置以形成叠层超表面，通过纳米砖参数的优化以实现全空间全息。通过对第二纳米砖转向角θ2的优化，实现了对入射圆偏光的反射光相位调制，使得反射空间形成一个全息图像；通过对第一纳米砖转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2的优化，实现了对入射圆偏振光的透反射光相位调制，使得透射空间也能形成一个全息图像。通过相位调制后，光波发生衍射以形成全息图像。两个全息图像可独立设计，互不相关，最终实现全空间全息。
本发明的提供的技术方案如下：
一种可实现全空间全息的叠层超表面，由多个结构单元阵列排列组成；
所述结构单元从下至上依次为基底层、内置第一纳米砖的隔离室和第二纳米砖；
所述隔离室设置在基底层上，内部设置有第一纳米砖，顶面设置有第二纳米砖；
所述第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到半波片的作用；
所述第二纳米砖透反射率相同，其对投射光和半透射光均起到半波片的作用；
第一、二纳米砖通过对透射光和反射光的相位调制实现在整个透射空间及反射空间内各显示出全息图像。
具体的，所述结构单元的基底层上下面为边长为C的正方形；以正方形的两边为x、y轴，顶点为原点建立坐标系；
所述第一纳米砖的结构尺寸为长L1、宽W1和高H1，均为亚波长级；所述长轴L1与x轴形成的锐角为θ1；
所述第二纳米砖的结构尺寸为长L2、宽W2和高H2，均为亚波长级；所述长轴L2与x轴形成的锐角为θ2。
上述的参数C、L1、W1、H1、L2、W2和H2均根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到。
具体的，穿过结构单元的反射光通过θ2调制，相位调制量为
具体的，所述透射光通过θ1和θ2调制，相位调制量为
具体的，所述隔离室为上端设置有盖板的中空腔室。
具体的，所述第一纳米砖的顶面与第二纳米砖底面距离为工作波长的一半。
具体的，所述基底的材料为熔融石英玻璃材料。
具体的，所述隔离室的材料为熔融石英玻璃材料。
具体的，所述第一纳米砖和第二纳米砖的材料为硅材料。
相位调制原理：
在上述技术方案基础上，通过优化设计，使得光波在工作波长下，在第二纳米砖透反射率相同，且对透射光和反射光均起到半波片的功能。当圆偏振光入射至所述第二半纳米砖时，其反射光相位会受到调制，调制量由下式说明：
即反射光的相位调制量为
在上述技术方案基础上，通过优化设计，使得光波在工作波长下，在第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到半波片的功能。当圆偏振光入射至所述第二纳米砖时，其透射光继续透过所述第一纳米砖且相位会受到调制，调制量由下式说明：
即透射光的相位调制量为
在上述技术方案基础上，当圆偏振光入射至所述超表面时，透射光和反射光相位调制量不同。通过优化设计所述第一纳米砖的转角θ1和第二纳米砖的转角θ2，可以透反射空间各形成一个全息图像，两个全息图像可独立设计，互不相关。即所述叠层超表面能够实现全空间全息。
本发明所设计的一种可实现全空间全息的叠层超表面具有以下优点和积极效果：
1、本发明所设计的超表面，对透反射光波进行独立调制，在透反射空间同时产生两个全息图像，并且两个图像不会相互影响；
2、该超表面产生的全息图像可以充满整个空间，实现了一种全新的图像显示方案；
3、纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的超表面体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。
附图说明
图1为本发明实施例1中纳米单元结构示意图；
图2为本发明实施例1中第二纳米砖透反射率扫描图；
图3为本发明实施例1中第一纳米砖透射率扫描图；
图4、图5为本发明实施例1中超表面不同位置的上表面堆叠图。
图6为本发明实施例1中超表面实现全空间全息效果示意图；
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，本发明的内容不限于此。
实施例1
图1示出了滤光片结构单元的示意图。结构单元结构单元从下至上依次为基底层、内置第一纳米砖的隔离室和第二纳米砖；
所述隔离室设置在基底层上，内部设置有第一纳米砖，顶面设置有第二纳米砖；
所述第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到半波片的作用；
所述第二纳米砖透反射率相同，其对投射光和半透射光均起到半波片的作用。
所述结构单元的基底层上下面为边长为C的正方形；以正方形的两边为x、y轴，顶点为原点建立坐标系；
所述第一纳米砖的结构尺寸为长L1、宽W1和高H1，均为亚波长级；所述长轴L1与x轴形成的锐角为θ1；
所述第二纳米砖的结构尺寸为长L2、宽W2和高H2，均为亚波长级；所述长轴L2与x轴形成的锐角为θ2。
通过优化设计，使得光波在工作波长下，在第二纳米砖透反射率相同，且对透射光和反射光均起到半波片的功能。当圆偏振光入射至所述第二半纳米砖时，其反射光相位会受到调制，调制量由下式说明：
即反射光的相位调制量为
通过优化设计，使得光波在工作波长下，在第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到半波片的功能。当圆偏振光入射至所述第二纳米砖时，其透射光继续透过所述第一纳米砖且相位会受到调制，调制量由下式说明：
即透射光的相位调制量为
以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，以圆偏振光垂直入射，在工作波长下扫描第二纳米砖，以透射交叉偏振效率和反射交叉偏振效率为优化对象，使两者效率高且尽量相等以优化参数L、W、H、C。扫描结果如图2所示，优选的参数：L＝230nm，W＝124nm，H＝277nm，C＝300nm。
在同等的工作波长和继续优化第二纳米砖的参数L、W、H、C，以透射交叉偏振效率为优化对象，使其效率尽可能高。扫描结果如图3所示，优选的参数为：L＝160nm，W＝80nm，H＝400nm，C＝300nm。
图4、图5示出了本实施例所制备的超表面的上表面堆叠图，从图中可以看出堆叠后的纳米砖的角度大致分布，角度分布区间为0至2π。
应用实施例1
利用实施例1所述的叠层超表面投影全息图像
通过优化设计所述第一纳米砖的转角θ1和第二纳米砖的转角θ2，调制光波使得光波发生衍射后形成全息图像，效果如图6所示。
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 (9)
1.一种可实现全空间全息的叠层超表面，其特征在于：
由多个结构单元阵列排列于一平面组成；
所述结构单元从下至上依次为基底层、内置第一纳米砖的隔离室和第二纳米砖；
所述隔离室设置在基底层上，内部设置有第一纳米砖，顶面设置有第二纳米砖；
所述第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到半波片的作用；
所述第二纳米砖透反射率相同，其对投射光和半透射光均起到半波片的作用；
第一、二纳米砖通过对透射光和反射光的相位调制实现在整个透射空间及反射空间内各显示出全息图像。
2.根据权利要求1所述的叠层超表面，其特征在于：
所述结构单元的基底层上下面为边长为C的正方形；以正方形的两边为x、y轴，顶点为原点建立坐标系；
所述第一纳米砖的结构尺寸为长L1、宽W1和高H1，均为亚波长级；所述长轴L1与x轴形成的锐角为θ1；
所述第二纳米砖的结构尺寸为长L2、宽W2和高H2，均为亚波长级；所述长轴L2与x轴形成的锐角为θ2。
3.根据权利要求2所述的叠层超表面，其特征在于：穿过结构单元的反射光通过θ2调制，相位调制量为
4.根据权利要求2所述的叠层超表面，其特征在于：所述透射光通过θ1和θ2调制，相位调制量为
5.根据权利要求1所述的叠层超表面，其特征在于：所述隔离室为上端设置有盖板的中空腔室。
6.根据权利要求1所述的叠层超表面，其特征在于：所述第一纳米砖的顶面与第二纳米砖底面距离为工作波长的一半。
7.根据权利要求1所述的叠层超表面，其特征在于：所述基底的材料为熔融石英玻璃材料。
8.根据权利要求1或5所述的叠层超表面，其特征在于：所述隔离室的材料为熔融石英玻璃材料。
9.根据权利要求1所述的叠层超表面，其特征在于：所述第一纳米砖和第二纳米砖的材料为硅材料。
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| GR01 | Patent grant | ||
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