CN110703465B - 基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，属于微纳光学、全息加密领域。本发明所涉及的混合超颖表面由相变材料薄膜上的不同几何尺寸的微小开口金属环阵列构成。第一种构建方法分别在晶体态和非晶态下重建两幅不同全息像。第二种构建方法是通过混合超颖表面在晶体态的相位干涉成像和非晶体态的全息成像实现。通过主动施加激励，相变材料在晶体态和非晶态之间切换，混合超颖表面的折射率发生变化，结合开口金属环的共振效应和几何相位原理，实现主动相位调制，切换和隐藏图像加密。相比逐点像素调制方法，具有整体调制和方便省时等优点，能够应用于全息加密、混合干涉成像，动态全息显示、主动控制光学设备。
Description
技术领域
本发明涉及基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，尤其涉及基于相变材料在晶态和非晶态切换的相位调制方法。属于微纳光学，全息加密应用技术领域。
背景技术
超颖表面是一种二维人工平面器件，具有能够实现超越天然材料的新颖特性，能够在亚波长范围内调制电磁波。自从其被发明以来，超颖表面就以其平板化、高分辨率、微型化的特性吸引了很多关注。随着对其工作原理的探索以及微纳设计和制造方法的发展，超颖表面在相位调制、振幅调制、偏振控制、轨道角动量转换等方面表现出灵活性，其功能应用范围在不断扩大。特别地，超颖表面全息技术是一种将计算机生成全息图与纳米器件相结合的技术。超颖表面全息技术能够克服传统全息技术所面临的系统庞大，分辨率低等问题，能够极大地提高全息成像的分辨率，消除多重衍射级并扩大视场。目前超颖表面全息技术已经提出了许多应用，包括实现彩色或多波长全息成像，3D投影，动态全息显示和其他功能。
相变材料是一种具有可重构功能的材料，如碲锑化锗Ge2Sb2Te5(GST)，二氧化钒(VO2)，硫化镧(GLS)，在某些条件下具有独特的可逆特性和非易失性。通过施加外部激励，例如力，热，超快飞秒脉冲，能够极大地改变材料的物理特性，例如介电常数。相变材料处于不同的相变状态时，例如晶体态、非晶态以及中间态，能够对透射光的振幅和相位产生较大调制，具有很大的差异。通过将超颖表面与相变材料的可调特性相结合，这为实现有源超颖表面设备提供了灵活的平台。相变材料在晶体态和非晶态之间的折射率参数差异很大，对光的传输有明显的调制效果，并且易于快速进行状态转换。例如，许多研究学者已经报道了通过将GST材料与超颖表面集成在一起，能够调节焦距的可调谐超透镜，基于共振V天线的可调谐波片，光偏振转换和颜色/多波长选择性衍射分量。但是，大多数这些主动可调式解决方案都是逐点调制的，耗时很长。
发明内容
本发明公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，将两幅全息图编码到同一混合超颖表面，混合超颖表面的每一个混合超颖表面单元仅由在相变材料薄膜上的微小开口金属环阵列构成。通过对混合超颖表面施加外部激励，使每一个混合超颖表面单元产生或大或小的相位变化，重建出截然不同的两幅全息图像。
本发明提供了另一种混合超颖表面的构建方法，混合超颖表面在非晶态，在远场重建出全息像，当外加激励时，混合超颖表面转换为晶体态，通过透射的同偏振光和正交偏振光干涉产生二值相位像。
本发明目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，用于实现主动相位调制和全息加密的混合超颖表面是在相变材料薄膜上具有不同几何尺寸的微小开口金属环阵列构成。通过改变金属开口环的几何尺寸，使混合超颖表面对出射光束的相位进行任意地调控，出射光束的相位调制范围覆盖0～2π。通过施加外部激励切换相变材料薄膜的状态，能够使出射光束的相位调制特性发生改变。根据计算机生成全息图方法得到不同的相互独立的原图各自对应的全息图，通过确定两个相位图同时对应该混合超颖表面在晶态和非晶态下的调控特性，确定开口金属环的几何尺寸，生成相应的加工文件。采用镀膜和电子束刻蚀的微纳加工工艺加工混合超颖表面。混合超颖表面只在偏振正交方向满足对应的相位调制，通过对入射光束和出射光束偏振态的控制以及外部激励的控制，实现混合相位干涉、全息图像重建与隐藏、双全息加密。
本发明公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，包括如下步骤：
步骤一：用于实现主动相位调制和全息加密的混合超颖表面是由相变材料薄膜上的具有不同几何尺寸的微小开口金属环阵列构成。通过相变材料状态切换之间的巨大折射率变化和开口金属环的共振响应以及开口金属环旋转产生的振幅和相位的变化来调控混合超颖表面。通过切换相变材料状态和改变开口金属环的几何尺寸调控混合超颖表面单元的透过相位。通过外加激励，切换相变材料薄膜的晶体态和非晶态，产生较大的折射率差，使得每个混合超颖表面单元对应两个不同的相位。在相变材料薄膜状态变换的情况下实现单一混合超颖表面的主动相位调制和加密。所述的几何尺寸包括开口金属环的开口角度α，高度H，外半径R，内外半径差ΔR，相变材料薄膜厚度D，以及混合超颖表面单元的周期P。
在相变材料薄膜厚度D，未加激励时为非晶态，开口金属环半径差ΔR、开口金属环高度H、混合超颖表面单元的周期P固定的情况下，扫描开口金属环的外半径R和开口角度α，由电场数据得到x方向线偏振光束通过不同尺寸的开口金属环在y偏振方向的相位φaa以及透过率taa；外加激励切换相变材料薄膜的状态至晶体态，在x方向线偏振光束入射时，y偏振方向出射时，得到对应的相位φcc以及透过率tcc。对相变材料薄膜厚度D，开口金属环高度H，混合超颖表面单元的周期P，入射波长进行合理的选择，使相位φaa和φcc能够覆盖0～2π，同时透过率taa与tcc应尽量比较高，透过率越高，混合超颖表面调控的出射光束偏振转换效率和相位调制效果越好。
步骤二：通过两种方法构建混合超颖表面。
第一种方法，根据计算机生成全息图方法得到两幅独立原图各自对应的独立全息图φa和φc。根据晶体态和非晶态下扫描的开口金属环的透过相位图，根据两幅透过相位图变化前后的相位关系逐个选取开口金属环的几何尺寸，得到相应混合超颖表面的加工文件。
第二种方法，选取固定的八个不同几何尺寸的开口金属环，八个开口金属环的分布对应着相变材料薄膜在非晶态下满足0～2π范围内连续的等间隔的相位差，而在晶体态下，原0～π范围内的四个开口金属环透过相位相等，并与原π～2π范围内的四个开口金属环相差π，即二值相位分布。根据计算机生成全息图方法得到一幅全息图Ha，作为非晶态下调制相位，然后选取一幅二值图案Hc作为晶体态的再现像。在两种状态下，将Hc中出现0的混合超颖表面单元只允许出现Ha的0～π，否则令Ha中相应的混合超颖表面单元的透过相位为0；而Hc中出现1的混合超颖表面单元只允许出现Ha的π～2π，否则令Ha中相应的混合超颖表面单元的透过相位为π。确定最终的开口金属环的几何尺寸，得到混合超颖表面的加工文件。
步骤三：利用步骤二所得混合超颖表面的加工文件，通过镀膜和电子束刻蚀的微纳加工方法，制备混合超颖表面。
步骤四：通过主动施加外部激励对入射光束和出射光束偏振态控制，实现全息重建成像和相位干涉成像，实现图像隐藏加密的效果。
有益效果：
1、本发明公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法：混合超颖表面是由相变材料薄膜上不同几何尺寸的开口金属环阵列构成。依赖于相变材料状态切换之间的巨大折射率变化和开口金属环的共振响应以及开口金属环旋转产生的振幅和相位的变化，调控混合超颖表面。通过切换相变材料状态和改变开口金属环的几何尺寸，调控混合超颖表面的透过相位。通过外加激励整体改变全息图的相位，产生完全不同的全息图分布，实现光学加密。
2、本发明公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法：第一种方法，根据计算机生成全息图方法得到两幅原图各自对应的全息图，通过选择对应两种状态下的相位差排布开口金属环；第二种方法是首先在相变材料薄膜的晶体态下确定一幅二值相位图，然后根据计算机生成全息图方法生成一幅全息图，根据二值相位的0和π来微调全息图，由于全息图的相位冗余性，微调后的全息图仍然能够重建预设图像。两种相位调制和全息加密方法具有很好的加密性能。
3、本发明公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，相比逐点像素调制方法，具有整体调制和方便省时等优点，能够应用于全息加密、混合干涉成像，动态全息显示、主动控制光学设备。
附图说明
图1是本发明的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法的流程图；
图2是本发明的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法第一种方法示意图；
图3是本发明的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法中开口金属环单元透过率的二维扫描图；
图4是本发明的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法第一种方法效果图；
图5是本发明的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法第二种方法示意图；
图6是本发明的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法第二种方法效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明方法做进一步详细说明。
实施例1
实施例公开的基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，流程图如附图1所示，在1900nm波长的光照射下对出射光束的相位进行调控，具体实现方法如下：
步骤一：采用碲锑化锗Ge2Sb2Te5(GST)构建相变材料薄膜，开口金属环为C型金纳米环，通过GST薄膜上的具有不同几何尺寸的C型金纳米环阵列构成混合超颖表面；通过GST薄膜状态切换之间的巨大折射率变化和C型金纳米环的共振响应以及C型金纳米环旋转产生的振幅和相位的变化来调控混合超颖表面。通过切换GST薄膜状态和改变C型金纳米环的几何尺寸调控混合超颖表面的透过相位。通过外加热激励使GST薄膜在晶体态和非晶态间切换，产生较大的折射率差，使每个C型金纳米环对应两个不同的相位，实现在GST薄膜状态变换的情况下单一混合超颖表面的主动相位调制和加密。
C型金纳米环的几何尺寸包括C环外半径R，内外半径差ΔR，开口角度α，高度H，GST薄膜厚度D以及混合超颖表面单元的周期P。
基于严格耦合波分析的方法确定C型金纳米环的内外半径差ΔR，高度H，GST薄膜厚度D，混合超颖表面单元的周期P，扫描C型金纳米环的开口角度α和外半径R。针对入射波长1900nm，实施例所用C型金纳米环的折射率为ngold＝0.7819+12.0115*1i，非晶态GST薄膜的折射率为na＝3.7074+0.0105*1i，晶体态GST薄膜的折射率为nc＝7.3651+0.6656*1i。在非晶态下，通过扫描得到沿x轴或y轴方向的线偏振光分别通过不同几何尺寸C型金纳米环后的电场情况，通过电场数据得到正交偏振方向入射光通过不同几何尺寸的C型金纳米环后的相位φaa以及透过率taa。切换GST薄膜到晶体态，在沿x轴或y轴方向的线偏振光入射时，得到对应的相位φcc以及透过率tcc，对C型金纳米环内外半径差ΔR，高度H，GST薄膜厚度D以及混合超颖表面单元的周期P进行调整，使相位φaa和φcc覆盖0～2π，同时透过率taa与tcc应尽量高，混合超颖表面调控的出射光束偏振和相位的效果会更好。
步骤二：生成混合超颖表面的加工文件。
第一种方法根据计算机生成全息图方法得到两幅原图各自对应的全息图。如附图2所示，两幅原图分别为篮球和字母‘NC’。附图2中实线箭头表示入射光束和出射光束的偏振态，将两幅全息图编码到同一混合超颖表面，逐个确定分别对应晶体态和非晶态的相位分布的C型金纳米环几何尺寸，使全息图相位与扫描图相位差值达到最小，通过对入射光束和出射光束偏振态的正交控制和施加外部热激励，实现混合超颖表面在非晶态和晶体态下的全息重建。
C型金纳米环透过率的二维扫描结果如附图3所示，附图3a为单个C型金纳米环示意图，附图3b为透过率taa的幅值，附图3c为透过率tcc的幅值，附图3d为透过率taa的相位，附图3e为透过率tcc的相位。使GST薄膜在非晶态和晶体态下的相位φaa和φcc分布均覆盖2π范围且透过率taa和tcc达到最高。确定C型金纳米环开口角度α在10°～140°范围内，外半径R在180nm～370nm范围内，高度H为40nm以及混合超颖表面单元的周期P为800nm，GST薄膜厚度D为15nm，内外半径差ΔR为80nm，生成相应超颖表面的加工文件。
第二种混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法如附图5所示，非晶体态下，线偏振光入射，在正交偏振方向仍然是全息重建的策略，得到一幅花纹的图案。当施加外部激励时，GST膜变成晶体态。线偏振光入射时，在正交偏振产生二值的相位调制，而同偏振则是平面光波。调制出射光的偏振态使得两光束干涉并重建出二值相位像，得到一幅二维码像。选取固定的八个不同几何尺寸的C型金纳米环，八个C型金纳米环分布对应着在GST薄膜非晶态下满足0～2π范围连续的等间隔的相位差，在晶体态下，原0～π范围内的四个C型金纳米环透过相位相等，与原π～2π范围的四个C型金纳米环透过相位相差π，即二值相位分布，根据计算机生成全息图方法得到一幅全息图Ha，作为非晶态下调制相位，然后选取一幅二值图案Hc作为晶体态的再现像。在晶体态和非晶态下，将Hc中出现0的位置只允许出现Ha的0～π，否则令Ha中的C型金纳米环的透过相位为0。而Hc中出现1的位置只允许出现Ha的π～2π，否则令Ha中的C型金纳米环的透过相位为π。确定最终的C型金纳米环的几何尺寸，从而生成相应混合超颖表面的加工文件。
步骤三：利用步骤二所得超颖表面的加工文件，通过GST镀膜和电子束刻蚀的微纳加工方法，制备混合超颖表面。
步骤四：全息像、干涉像重建。
实施例中第一种混合超颖表面实现方法的线偏振光入射时所得到的再现像的效果如附图4所示。在非晶态下，线偏振光入射时，入射的正交偏振方向会重建出“篮球”的像。当施加外部热激励时，GST薄膜变成晶体态，会重建出字母“NC”。两幅图像之间没有任何串扰，实现图像隐藏加密的效果。
实施例中第二种混合超颖表面实现方法的线偏振光入射时全息像重建过程，非晶态下为全息重建像，而晶体态下为相位干涉成像。如附图6所示，在非晶态下，线偏振光入射时，在入射的正交偏振方向会全息重建出一幅六角星的像，当施加外部热激励时，GST薄膜变成晶体态，通过调节平行偏振的平面透射光和正交偏振的调制光的干涉，重建出一幅八个花瓣的像。两幅图像之间没有任何串扰，达到了良好的图像隐藏加密的效果。
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 (1)
1.基于混合超颖表面的主动相位调制和全息加密方法，步骤一：用于实现主动相位调制和全息加密的混合超颖表面是由相变材料薄膜上的具有不同几何尺寸的微小开口金属环阵列构成；通过相变材料状态切换之间的巨大折射率变化和开口金属环的共振响应以及开口金属环旋转产生的振幅和相位的变化来调控混合超颖表面；通过切换相变材料状态和改变开口金属环的几何尺寸调控混合超颖表面单元的透过相位；通过外加激励切换相变材料薄膜的晶体态和非晶态，产生较大的折射率差，使得每个开口金属环单元对应两个不同的相位；在相变材料薄膜状态变换的情况下实现单一混合超颖表面的主动相位调制和加密；其特征在于：还包括如下内容：
其中所述几何尺寸包括开口金属环的开口角度α，高度H，外半径R，内外半径差ΔR，相变材料薄膜厚度D，以及混合超颖表面单元的周期P；
用于主动相位调制的混合超颖表面是由不同几何尺寸的开口金属环阵列构成；在相变材料薄膜厚度D，未加激励时为非晶态，开口金属环半径差ΔR、开口金属环高度H、混合超颖表面单元的周期P固定的情况下，扫描开口金属环的外半径R和开口角度α，由电场数据得到x方向线偏振光束通过不同尺寸的开口金属环在y偏振方向的相位φaa以及透过率taa；外加激励改变相变材料薄膜的状态至晶体态，在x方向线偏振光束入射时，y偏振方向出射时，得到对应的相位φcc以及透过率tcc；对相变材料薄膜厚度D，开口金属环高度H，混合超颖表面单元的周期P，入射波长进行合理的选择，使相位φaa和φcc能够覆盖0～2π，同时透过率taa与tcc应尽量比较高，透过率越高，混合超颖表面调控的出射光束偏振转换效率和相位调制效果越好；
步骤二：通过以下第一种方法或第二种方法构建混合超颖表面；
第一种方法，根据计算机生成全息图方法得到两幅独立原图各自对应的独立全息图φa和φc，根据晶体态和非晶态下扫描的开口金属环的透过相位图，根据两幅透过相位图变化前后的相位关系逐个选取开口金属环的几何尺寸，得到相应混合超颖表面的加工文件；
第二种方法，选取固定的八个不同尺寸的开口金属环，这八个开口金属环的分布对应着在相变材料薄膜非晶态下满足0～2π连续的等间隔的相位差，而在晶体态下，原0～π内的四个开口金属环透过相位相等，并与原π～2π的四个开口金属环相差π，即二值相位分布；利用计算机生成全息图方法得到一幅全息图Ha，作为非晶态下调制相位，然后选取一幅二值图案Hc作为晶体态的再现像；在两种状态下，将Hc中出现0的单元只允许出现Ha的0～π，否则令Ha中的相应单元的透过相位为0；而Hc中出现1的单元只允许出现Ha的π～2π，否则令Ha中的相应单元的透过相位为π；确定最终的混合超颖表面开口金属环的几何尺寸，得到混合超颖表面的加工文件；
步骤三：利用步骤二所得混合超颖表面的加工文件，通过镀膜和电子束刻蚀的微纳加工方法，制备混合超颖表面；
步骤四：通过主动施加外部激励改变相变材料薄膜的状态，实现入射光束和出射光束偏振态控制，实现全息重建成像和相位干涉成像，实现图像隐藏加密的效果。
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