CN110531458B - 一种可实现非互易性功能的超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现非互易性功能的超表面。该超表面由多个单元结构周期性阵列于一平面构成；所述单元结构包括第一、二纳米砖及基底层；基底层为具有正方形上下表面的片层结构，第一、二纳米砖分别设置于基底层上下表面；第一纳米砖起到透射式半波片的功能；第二纳米砖起到透射式起偏器的功能；借助线起偏器，该超表面可分别对从第一纳米砖和第二纳米砖垂直入射的透射光实现独立强度调制。本发明提供的超表面对分别从第一、二纳米砖入射的透射光具有独立强度调制能力，可以在两个透射空间产生两个独立的高分辨率的灰度图像，即实现了非互易性。该超表面可应用于高端显示、虚拟现实、增强现实等领域，为未来的安全技术提供一种新的方法和途径。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及图像显示领域，尤其涉及一种可实现一种可实现非互易性功能的超表面。
背景技术
超表面作为一种超薄的亚波长结构，具有传统光学元件无法比拟的空间分辨率高、衍射角大、光波操控能力强等优势，可以用来设计全息片、透镜、光栅等平面光学器件。目前超表面材料可以大致分为两类，一类工作模式为透射，另一类工作模式为反射。对于反射式超表面材料，由于其仅仅只能工作在某一个反射空间，因此不具有互易性也不具有非互易性。对于透射式超表面材料，由于其对于先入射至纳米砖再经过基底的光和先入射至基底再经过纳米砖的光具有一样的操控效果，因此透射式超表面材料具有互易性。非互易性的超表面不仅有利于扩大信息容量、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，非互易性的超表面具有很好的应用发展前景。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可实现非互易性功能的超表面。该超表面由单元结构组成，单元结构包括基底层及设置于其上下表面的第一、二纳米砖，超表面结构简单，易于加工，通过对单元结构的优化设计，借助起偏器能够分别实现对从第一、二纳米砖垂直入射的透射光进行独立强度调制，进而能够将独立设计的两幅高分辨率灰度图像分别形成在不同的透射空间，即实现非互易性。
本发明提供的技术方案如下：
一种可实现非互易性功能的超表面，由多个单元结构周期性阵列于一平面构成；
所述单元结构包括第一、二纳米砖及基底层；所述第一纳米砖具有相同的几何尺寸；所述第二纳米砖也具有相同的几何尺寸；
基底层为具有正方形上下表面的片层结构，第一、二纳米砖分别设置于基底层上下表面；第一纳米砖起到透射式半波片的功能；第二纳米砖起到透射式起偏器的功能；
通过对单元结构参数的的优化，该超表面结合起偏器可分别对从第一纳米砖和第二纳米砖入射的透射光实现独立强度调制，以在不同透射空间各形成一个独立的高分辨率的灰度图像。
具体的，所述参数包括基底层上下表面边长为C，第一纳米砖长L1、宽W1、高H1，第二纳米砖长L2、宽W2、高H2，第一纳米砖的转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2。
具体的，所述基底厚度和第一、二纳米砖的长宽高为亚波长量级。
具体的，以基底层上下表面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，第一、二纳米砖长边均为长轴、短边为短轴，第一纳米砖的长轴与x轴的夹角为θ1，第二纳米砖的短轴与x轴的夹角为θ2。每个纳米砖的转向角均可独立设置。
具体的，当强度为I0的入射光依次经过偏振方向为α1的起偏器、第一纳米砖、基底层和第二纳米砖时，其透射光强度由下式说明：
其中第一纳米砖起到透射式半波片的功能，第二纳米砖起到透射式起偏器的功能，则透射光的强度为I1＝I0[cos(2θ1-θ2-α1)]2。
具体的，当强度为I0、偏振方向为α2的线偏光光依次经过第二纳米砖、基底层、第一纳米砖和偏振方向为α1的起偏器时，其透射光强度由下式说明：
即透射光强度I2＝I0cos2(α2-θ2)[cos(2θ1-α1-θ2)]2。
具体的，通过优化设计，在工作波长下，所述第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到透射式半波片的功能。
具体的，通过优化设计，在工作波长下，所述第二纳米砖反射沿着纳米砖长轴入射的线偏光，透过沿着纳米砖短轴入射的线偏光，起到透射式起偏器的功能。
具体的，所述基底层为熔融石英玻璃材料，所述的第一纳米砖材料为硅材料，第二纳米砖为Ag材料。
具体的，所述的高分辨灰度图像互不相关，可独立设计。
本发明的有益效果：
1、本发明所设计的超表面，对分别从第一、二纳米砖入射的透射光具有独立强度调制能力，可以在两个透射空间产生各产生一个相互独立的高分辨率的灰度图像，即实现了非互易性；
2、本发明生成的两个高分辨率灰度图像可以独立设计，互不影响，也无法相互推断，可应用于信息加密、高端防伪、虚拟现实、增强现实等领域，为未来的安全技术提供一种新的方法和途径；
3、本发明的非互易性的超表面，通过巧妙的设计，简单的结构，为信息复用提供一种新的方式；
4、本发明的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具有体积小、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为本发明实施例中超表面阵列效果示意图。
图2为本发明实施例中单元结构示意图；
图3为本发明实施例中第一纳米砖透射率扫描图；
图4为本发明实施例中第二纳米砖透反射率扫描图；
图5为本发明实施例中超表面实现非互易性功能的效果示意图。
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
本实施例提供一种可实现非互易性功能的超表面。超表面阵列示意图如图1所示。该超表面由多个单元结构周期性阵列于平面构成，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。单元结构如图2所示，由设置于基底层上下表面的第一、二纳米砖组成，基底层为上下表面均为边长为C的正方形的片层结构，由熔融石英玻璃材料制成。纳米砖均为银材料制成，其长宽高均为亚波长级。以基底层上下表面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，第一纳米砖的长轴与x轴的夹角为θ1，第二纳米砖的短轴与x轴的夹角为θ2。每个纳米砖的转向角均可独立设置。
超表面的结构参数包括C，第一、二纳米砖的长宽高，θ1和θ2，根据选定的入射光波长，通过电磁仿真软件对上述参数进行优化，结合起偏器，最终实现非互易超表面对分别从第一、二纳米砖垂直入射的透射光具有独立强度调制能力，进而可以把两个相互独立的高分辨率灰度图像的形成在不同的透射空间，即实现非互易性。
第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到透射式半波片的功能。第二纳米砖反射沿着纳米砖长轴入射的线偏光，透过沿着纳米砖短轴入射的线偏光，起到透射式起偏器的功能。
以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，对第一纳米砖以圆偏振光垂直入射，在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括L1、W1、H1、C1，以透射交叉偏振效率高和透射的同向偏振效率低为优化目标。优选得到的第一纳米砖结构单元的参数为：L1＝150nm，W1＝60nm，H1＝385nm，C＝300nm。在该结构参数下，第一纳米砖的透射同向偏振转换效率和透射反向偏振转换效率如图3所示。其中T_Cross为透射反向偏振转换效率，T_Co为透射同向偏振转换效率。由图3可知，在工作波长633nm处，T_Cross高于87％，T_Co不到1％，表明，该优化后的第一纳米砖单元结构可以等效为半波片的功能。
以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，对第二纳米砖当沿着纳米砖长轴和短轴方向的线偏光同时垂直入射，以沿着纳米砖长轴方向的光反射效率最高、沿着纳米砖短轴方向的光的透射效率最高为优化目标，优选得到的第二纳米砖结构单元的参数为：C＝300nm，纳米砖长边L2＝160nm，短边W2＝80nm，高H2＝70nm。在该结构参数下，第二纳米砖结构单元对分别沿其长轴和短轴方向振动的两偏振态正交的线偏振光的反射和透射效率如图4所示，其中Rx、Ty分别代表沿纳米砖结构单元的长轴方向振动的线偏振光的反射率和沿短轴方向振动的线偏光的透射率，Ry、Tx分别表示沿纳米砖结构单元的短轴方向振动的线偏振光的反射率和沿纳米砖结构长轴方向振动的线偏振光透射率。由图4可知，在入射光波长在550nm到700nm之间时，Rx和Ty的数值相对较高，Ry和Tx的数值相对较低。尤其是在工作波长633nm下，Rx和Ty高于90％，Ry和Tx低于10％，表明，该优化后纳米砖单元结构可以等效为起偏器的功能。
当强度为I0入射光依次经过偏振方向为α1的起偏器、第一纳米砖，基底层和第二纳米砖时，其透射光强度由下式说明：
其中第一纳米砖为半波片，第二纳米砖为起偏器，则透射光的强度为I1＝I0[cos(2θ1-θ2-α1)]2。
当强度为I0、偏振方向为α2线偏光依次经过第二纳米砖、基底层、第一纳米砖和偏振方向为α1的起偏器时，其透射光强度由下式说明：
即则透射光的强度为I2＝I0cos2(α2-θ2)[cos(2θ1-α1-θ2)]2。
基于上述参数优化的超表面，当线偏光分别从第一、二纳米砖入射时，透射光的强度调制量不同。如图5所示，通过上述优化设计的结构参数、θ1和θ2，结合起偏器，使得当入射光分别从第一和第二纳米砖垂直入射时，可以在不同透射空间各自形成一个高分辨率的灰度图像，且两个灰度图像可独立设计，互不相关。
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 (7)
1.一种可实现非互易性功能的超表面，其特征在于：
由多个单元结构周期性阵列于一平面构成；
所述单元结构包括第一、二纳米砖及基底层；所述第一纳米砖具有相同的几何尺寸，第二纳米砖也具有相同的几何尺寸；
基底层为具有正方形上下表面的片层结构，第一、二纳米砖分别设置于基底层上下表面；第一纳米砖起到透射式半波片的功能；第二纳米砖起到透射式起偏器的功能；
该超表面通过单元结构的参数优化，借助线起偏器可分别对从第一纳米砖和第二纳米砖垂直入射的透射光实现独立强度调制，以在不同透射空间各形成一个独立的高分辨率的灰度图像；
所述参数包括基底层上下表面边长C＝300nm，第一纳米砖长L1＝150nm、宽W1＝60nm、高H1＝385nm，第二纳米砖长L2＝160nm、宽W2＝80nm、高H2＝70nm，第一纳米砖的转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2；
以基底层上下表面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，第一、二纳米砖长边均为长轴、短边为短轴，第一纳米砖的长轴与x轴夹角为θ1，第二纳米砖的短轴与x轴夹角为θ2；
所述每个纳米砖的转向角均可独立设置。
2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：当强度为I0的入射光依次经过偏振方向为α1的起偏器、第一纳米砖、基底层和第二纳米砖时，透射光强度I1＝I0[cos(2θ1-θ2-α1)]2。
3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：当强度为I0、偏振方向为α2线偏光依次经过第二纳米砖、基底层、第一纳米砖和偏振方向为α1的起偏器时，透射光强度I2＝I0cos2(α2-θ2)[cos(2θ1-α1-θ2)]2。
4.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：通过优化设计，在工作波长下，所述第一纳米砖为透射式工作，几乎不发生反射，其对透射光起到透射式半波片的功能。
5.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：通过优化设计，在工作波长下，所述第二纳米砖反射沿着纳米砖长轴入射的线偏光，透过沿着纳米砖短轴入射的线偏光，起到透射式起偏器的功能。
6.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述基底层为熔融石英玻璃材料，所述的第一纳米砖材料为硅材料，第二纳米砖为Ag材料。
7.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述的灰度图像互不相关，可独立设计。
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