CN110794661A - 基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，包括：构建超表面单元结构，超表面单元结构包括基底、设置在基底上的第一纳米砖以及嵌于基底中的第二纳米砖；优化得到第一纳米砖和第二纳米砖的结构参数；构建超表面结构阵列，其包括多个超表面单元结构；根据入射光先后经过第一纳米砖和第二纳米砖以及先入射至第二纳米砖再入射到第一纳米砖两种模式下的近场图案和远场图案的成像要求，从中找出能同时满足近场成像的强度分布又在远场能形成相位型傅里叶全息图的第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂的排布，获得能实现双通道纳米印刷和双通道全息的超表面材料。本发明可以在一片超表面材料上编码四幅完全无关的图像。

Description

基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及图像显示的技术领域，具体涉及一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法。

背景技术

由超薄的亚波天线组成的超表面为实现平面光学设备提供了一种方法。当前超表面被广泛在透镜，全息图，光学隐身等领域。相比于传统的光学，超表面的显著的特点是能实现多功能性。当前多功能超表面主要是通过改变入射光的偏振态、入射角度、波长来产生不同的图像。然而现有的方法不能实现在同一个片子上同时编码两幅纳米印刷图像和两幅全息图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，通过该方法制得的超表面材料能够在一片超表面材料上编码4幅完全不相关的图像。本发明为一种新的信息复用方法，能大大增强信息容量，在图像显示，光学存储，防伪等领域具有很大的应用前景。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，包括如下步骤：

构建超表面单元结构，所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底的第一工作面上的第一纳米砖以及嵌于所述基底中的第二纳米砖，所述第一纳米砖与所述第一工作面形成第一纳米砖单元结构，所述第二纳米砖沉积在所述基底内的第二工作面上，所述第二纳米砖与所述第二工作面形成第二纳米砖单元结构，所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构对应设置，以平行于所述基底第一工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述第一纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L₁和短轴W₁，所述第二纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L₂和短轴W₂，所述第一纳米砖转向角θ₁为所述第一纳米砖的长轴L₁与x轴方向的夹角，所述第二纳米砖转向角θ₂为所述第一纳米砖的长轴L₂与x轴方向的夹角；

优化得到所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构的结构参数；

构建超表面结构阵列，所述超表面结构阵列包括多个所述超表面单元结构，以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构，得到在此工作模式下的透射光强I₁与所述线偏光偏振方向α₁、第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂之间的第一函数关系；以强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构，得到该工作模式下的透射光强I₂与所述线偏振光的偏振方向α₂、第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂之间的第二函数关系；设计以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述叠层超表面结构阵列的近场产生第一图像，再设计强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的近场产生第二图像，根据第一图像和第二图像的光强分布要求以及第一函数关系和第二函数关系得出具有四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ₁和所述第二纳米砖转向角θ₂；之后以设计以圆偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第三图像，再设计以圆偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第四图像，根据第三图像和第四图像的相位分布要求、琼斯矩阵公式以及前述得到的四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ₁和所述第二纳米砖转向角θ₂计算求出所述超表面结构阵列中每个所述超表面单元结构中的所述第一纳米砖转向角θ₁值和所述第二纳米砖转向角θ₂值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述超表面单元结构上的所述第一纳米砖和所述第二纳米砖按得到的各位置处对应的所述第一纳米砖转向角θ₁值和所述第二纳米砖转向角θ₂值进行排布，从而获得能产生实现双通道纳米印刷和双通道全息的超表面材料。

进一步地，优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的第一纳米砖单元结构的结构参数以及优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的第二纳米砖单元结构的结构参数。

进一步地，优化得到所述第一纳米砖单元结构的结构参数的方法为：以偏振方向沿第一纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿第一纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述第一纳米砖单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述第一纳米砖单元结构的结构参数

优化得到所述第二纳米砖单元结构的结构参数的方法为：以工作波长的圆偏振光垂直入射所述第二纳米砖单元结构，入射圆偏振光的透射交叉偏振效率不低于80％且透射的同向偏振效率不高于1％优化目标，在工作波长下扫描所述第二纳米砖单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述第二纳米砖单元结构的结构参数。

进一步地，所述第一纳米砖单元结构的结构参数包括所述第一纳米砖的长轴L₁、短轴W₁和高H₁以及所述第一工作面边长C₁的尺寸，所述第二纳米砖单元结构的结构参数包括所述第二纳米砖的长轴L₂、短轴W₂和高H₂以及所述第二工作面边长C₂的尺寸。

进一步地，出射光强I₁的第一函数关系为：I₁＝I₀ sin²(θ₁-α₁)；

出射光强I₂的第二函数关系为：I₂＝I₀ sin²(2θ₂-θ₁-α₂)。

进一步地，四种自由度的第一纳米砖的转向角为θ₁，π/2-θ₁，π/2+θ₁，π-θ₁时，四种自由度的第二纳米砖的转向角为θ₂，π/2-θ₂，π/2+θ₂，π-θ₂。

进一步地，所述基底包括第一基底和与所述第一基底相连的第二基底，所述第二纳米砖嵌于所述第一基底中，所述第一工作面为所述第一基底上背离所述第二基底的面，所述第二工作面为第二基底上与所述第一基底接触的面。

进一步地，所述基底由熔融石英玻璃材料制成，所述第一纳米砖由银材料制成，所述第二纳米砖均由硅材料制成。

本发明的另一目的是提供一种根据上述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法设计出的超表面材料。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明所提出的一种基于叠层超表面结构实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法可以实现在一片超表面材料上编码四幅完全无关的图像，设计灵活，功能强大，具有非常广阔的应用前景；

2)本发明的纳米砖单元结构的尺寸均为亚波长级，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。

3)本发明生成的四幅图像可以独立设计，互不影响，可以满足不同的设计需要，为信息复用提供一种新的方法。

附图说明

图1为本发明实施例中超表面结构阵列的效果示意图；

图2为本发明实施例中超表面单元结构的示意图；

图3为本发明实施例中纳米砖起偏器透反射率扫描图；

图4为本发明实施例中纳米砖半波片透反射率扫描图；

图5为本发明实施例在第一种工作模式下同时实现的纳米印刷图和全息图；

图6为本发明实施例在第二种工作模式下同时实现的纳米印刷图和全息图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，包括如下步骤：

构建超表面单元结构，超表面单元结构包括基底、设置在基底的第一工作面上的第一纳米砖以及嵌于基底中的第二纳米砖，第一纳米砖与第一工作面形成第一纳米砖单元结构，第二纳米砖沉积在基底内的第二工作面上，第二纳米砖与第二工作面形成第二纳米砖单元结构，第一纳米砖单元结构和第二纳米砖单元结构对应设置，以平行于基底第一工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，第一纳米砖上与第一工作面平行的面上具有长轴L₁和短轴W₁，第二纳米砖上与第一工作面平行的面上具有长轴L₂和短轴W₂，第一纳米砖转向角θ₁为第一纳米砖的长轴L₁与x轴方向的夹角，第二纳米砖转向角θ₂为第一纳米砖的长轴L₂与x轴方向的夹角；

优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的第一纳米砖单元结构的结构参数以及优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的第二纳米砖单元结构的结构参数；

构建超表面结构阵列，超表面结构阵列包括多个超表面单元结构，以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射第一纳米砖单元结构、基底和第二纳米砖单元结构，得到在此工作模式下的透射光强I₁与线偏光偏振方向α₁、第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂之间的第一函数关系；以强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射第二纳米砖单元结构、基底以及第一纳米砖单元结构，得到该工作模式下的透射光强I₂与线偏振光的偏振方向α₂、第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂之间的第二函数关系；设计以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射第一纳米砖单元结构、基底和第二纳米砖单元结构其在叠层超表面结构阵列的近场产生第一图像，再设计强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射第二纳米砖单元结构、基底以及第一纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的近场产生第二图像，根据第一图像和第二图像的光强分布要求以及对应的第一函数关系和第二函数关系蕴含的非单调性得出具有四种自由度的第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂；之后设计以圆偏振光依次入射第一纳米砖单元结构、基底和第二纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的远场产生第三图像，再设计以圆偏振光依次入射第二纳米砖单元结构、基底以及第一纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的远场产生第四图像，根据第三图像和第四图像的相位分布要求、琼斯矩阵公式以及前述得到的四种自由度的第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂计算求出超表面结构阵列中每个超表面单元结构中的第一纳米砖转向角θ₁值和第二纳米砖转向角θ₂值，最后将超表面结构阵列中的每个超表面单元结构上的第一纳米砖和第二纳米砖按得到的各位置处对应的第一纳米砖转向角θ₁值和第二纳米砖转向角θ₂值进行排布，从而获得能产生实现双通道纳米印刷和双通道全息超表面材料。

基于构建好的叠层超表面材料，当入射光按照先经过第一纳米砖起偏器再经过第二纳米砖半波片的顺序，入射至超表面材料，能在近场和远场形成两幅不相关的图像。当入射光按照先经过第二纳米砖半波片再经过第一纳米砖起偏器的顺序，入射至超表面材料，能在近场和远场形成另外两幅不相关的图像。

下面结合本实施例对发明进行更加详细的说明，该包括叠层结构阵列，叠层结构阵列包括多个叠层单元结构，其中，超表面结构阵列的结构示意图如图1所示，超表面单元结构的结构示意图如图2所示。由图2可知，超表面单元结构包括第一基底2、与第一基底2底面相连的第二基底4、沉积在第一基底2顶面上的第一纳米砖1以及嵌于第一基底2中且沉积在第二基底4顶面上的第二纳米砖3。其中，第一纳米砖1与第一基底2的顶面形成第一纳米砖单元结构，第二纳米砖3与第二基底4的顶面形成第二纳米砖单元结构。同一个超表面单元结构上的第一纳米砖1和第二纳米砖3对应设置，而相邻的两个第一纳米砖单元结构上的第一纳米砖1的尺寸和中心间隔均相同，相邻的两个第二纳米砖单元结构上的第二纳米砖3的尺寸和中心间隔也均相同。其中，第一基底2和第二基底4均由熔融石英玻璃材料制成，第一纳米砖1由银材料制成，第二纳米砖3由硅材料制成。以平行于第一基底2顶面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，第一纳米砖上与第一基底2顶面平行的面上具有长轴L₁和短轴W₁，第二纳米砖3具有长轴L₂和短轴W₂，第一纳米砖1的长轴L₁与x轴方向的夹角为第一纳米砖转向角θ₁，第二纳米砖3的长轴L₂与x轴方向的夹角为第二纳米砖转向角θ₂。

为了实现双通道纳米印刷和双通道全息，可以通过优化第一纳米砖单元结构的结构参数，使得以工作波长入射至第一纳米砖时其功能等效为一个透射式起偏器，即偏振方向沿第一纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿第一纳米砖短轴的线偏振光发生透射。再优化第二纳米砖单元结构的结构参数使得以工作波长入射至第二纳米砖时其功能等效为一个透射式半波片，即所有入射圆偏振光转化为旋向相反的透射光。

以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，以沿着第一纳米砖长轴和短轴方向的线偏振光同时垂直入射第一纳米砖单元结构，以沿着第一纳米砖长轴方向的光反射效率最高且沿着第一纳米砖短轴方向的光透射效率最高为优化目标，优选得到的第一纳米砖起偏器单元结构的结构参数：长轴L₁＝160nm、短轴W₁＝80nm、高H₁＝70nm以及工作面边长C＝300nm。在该结构参数下，第一纳米砖单元结构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3所示，其中Rx、Ty分别代表沿第一纳米砖单元结构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分别表示沿第一纳米砖短轴方向振动的线偏振光的反射率和沿第一纳米砖长轴方向振动的线偏振光透射率。由图3可知，在入射光波长在600nm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，Ty高于90％，Ry和Tx低于5％，表明，该优化后的第一纳米砖单元结构可以等效为起偏器的功能。

此外，再以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，对第二纳米砖单元结构以圆偏振光垂直入射，在工作波长下扫描第二纳米砖单元结构的结构参数，包括L₂、W₂、H₂、C₂，以透射交叉偏振效率高且透射的同向偏振效率低为优化目标。优选得到的第而纳米砖单元结构的结构参数为：长轴L₂＝170nm，短轴W₂＝80nm，高H₂＝380nm，工作面边长C＝300nm。在该结构参数下，第二纳米砖单元结构的透射同向偏振转换效率和透射反向偏振转换效率如图4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，R_cross为反射反向偏振转换效率，R_co为反射同向偏振转换效率。由图4可知，在工作波长633nm处，T_cross高于95％，T_co，R_co，R_cross均低于3％，表明，该优化后的第二纳米砖单元结构可以等效为透射式半波片的功能。

在得到上述优化后的第一纳米砖单元结构和第二纳米砖单元结构的结构参数后，以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射第一纳米砖起偏器单元、所述第二纳米砖半波片单元，其透射光强度由下式说明：

即则透射光的强度为I₁＝I₀ sin²(θ₁-α₁)

以强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射第二纳米砖半波片单元结构、及第一纳米砖起偏器单元结构，其透射光强度由下式说明：

即透射光强度I₂＝I₀ sin²(2θ₂-θ₁-α₂)。

根据得到的第一函数公式和第二函数公式，建立两者的联立公式

由该联立公式可知对于某一个固定的入射线偏振光(α₁、α₂和I₀为定值)，可以通过调整第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂得到任意的出射光强I₁、I₂，由于θ₁和θ₂相互独立，两种工作模式下产生的图像完全独立，互不相关，可独立设计。另外，由于三角函数sin²θ为非单调函数，因此在第一纳米砖和第二纳米砖的转向角在[0°，180°]的范围内，均有4个自由度的转向角，即当第一纳米砖的转向角为θ₁，π/2-θ₁，π/2+θ₁，π-θ₁时，均产生相同的出射光强I₁；当第二纳米砖的转向角为θ₂，π/2-θ₂，π/2+θ₂，π-θ₂时，均产生相同的出射光强I₂。

设计以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射第一纳米砖单元结构、第一基底、第二纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的近场产生第一目标纳米印刷图案，再设计强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射第二纳米砖单元结构、第一基底以及第一纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的近场产生第二目标纳米印刷图案，根据第一目标纳米印刷图案和第二目标纳米印刷图案的光强分布要求以及上述的联立公式得出每个第一纳米砖单元结构的四种第一纳米砖转向角θ₁以及每个第二纳米砖单元结构的四种第二纳米砖转向角θ₂。若纳米印刷图像大小为M*M，每一个纳米砖对应一个像素，则一共有4^M*M种纳米砖转向角组合可以生成目标纳米印刷图像。

之后设计以圆偏振光依次入射第一纳米砖单元结构、第一基底和第二纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的远场产生第一目标全息图案，再设计以圆偏振光依次入射第二纳米砖单元结构、第一基底以及第一纳米砖单元结构其在超表面结构阵列的远场产生第二目标全息图案。

当圆偏振光入射至各项异性的纳米砖结构时，其出射光的琼斯矩阵公式为：

其中，θ为纳米砖的转向角，A和B为当沿着长短轴方向的线偏光入射时，其长短轴方向的透射或者反射系数。其中q和p为：

由上式可以看出，圆偏振光经过纳米砖后，输出场分为两个部分，一部分是与入射光旋向相同的圆偏振光，另一部分是与入射光旋向相反的圆偏振光，p和q的模分别代表着两部分圆偏振光的振幅。分析表明，只有该光学元件各向异性(A≠B)，输出光场中总会含有反向圆偏振光，且反向圆偏振光的相位调控量的绝对值等于该光学元件转角的两倍。这就是几何相位的调节机理，相位改变量仅仅与纳米砖转角有关系。

根据要生成的第一目标全息图案和第二目标全息图案的相位分布要求、上述琼斯矩阵公式以及前述得到的四种第一纳米砖转向角θ₁和四种第二纳米砖转向角θ₂，借助于模拟退火优化算法等优化算法计算求出超表面结构阵列中每个超表面单元结构中的第一纳米砖转向角θ₁值和所述第二纳米砖转向角θ₂值，最后将所述超表面结构阵列中的每个超表面单元结构上的第一纳米砖和第二纳米砖按得到的各位置处对应的第一纳米砖转向角θ₁值和第二纳米砖转向角θ₂值进行排布，从而获得能产生实现双通道纳米印刷和双通道全息的超表面材料，该超表面材料同时满足近场成像的强度分布，同时又在远场形成相位型傅里叶全息图。

基于上述构建好的叠层超表面材料，当以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光，按照先经过第一纳米砖起偏器再经过第二纳米砖半波片的顺序，入射至超表面材料，能在近场形成第一纳米印刷图案；当圆偏光以先经过第一纳米砖起偏器再经过第二纳米砖半波片的顺序入射至超表面材料，能在远场形成第一全息图案，如图5所示。当以强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光按照先经过第二纳米砖半波片再经过第一纳米砖起偏器的顺序，入射至超表面材料，能在近场形成第二纳米印刷图案；当圆偏光以先经过第二纳米砖半波片再经过第一纳米砖起偏器的顺序，入射至超表面材料能在远场形成第二全息图案，如图6所示。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建超表面单元结构，所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底的第一工作面上的第一纳米砖以及嵌于所述基底中的第二纳米砖，所述第一纳米砖与所述第一工作面形成第一纳米砖单元结构，所述第二纳米砖沉积在所述基底内的第二工作面上，所述第二纳米砖与所述第二工作面形成第二纳米砖单元结构，所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构对应设置，以平行于所述基底第一工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述第一纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L₁和短轴W₁，所述第二纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L₂和短轴W₂，所述第一纳米砖转向角θ₁为所述第一纳米砖的长轴L₁与x轴方向的夹角，所述第二纳米砖转向角θ₂为所述第一纳米砖的长轴L₂与x轴方向的夹角；

优化得到所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构的结构参数；

构建超表面结构阵列，所述超表面结构阵列包括多个所述超表面单元结构，以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射至第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构，得到在此工作模式下的透射光强I₁与所述线偏光偏振方向α₁、第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂之间的第一函数关系；以强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构，得到该工作模式下的透射光强I₂与所述线偏振光的偏振方向α₂、第一纳米砖转向角θ₁和第二纳米砖转向角θ₂之间的第二函数关系；设计以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述叠层超表面结构阵列的近场产生第一图像，再设计强度为I₀、偏振方向为α₂的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的近场产生第二图像，根据第一图像和第二图像的光强分布要求以及第一函数关系和第二函数关系蕴含的非单调性，得出具有四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ₁和所述第二纳米砖转向角θ₂；之后设计以圆偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第三图像，再设计以圆偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第四图像，根据第三图像和第四图像的相位分布要求、琼斯矩阵公式以及前述得到的四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ₁和所述第二纳米砖转向角θ₂计算求出所述超表面结构阵列中每个所述超表面单元结构中的所述第一纳米砖转向角θ₁值和所述第二纳米砖转向角θ₂值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述超表面单元结构上的所述第一纳米砖和所述第二纳米砖按得到的各位置处对应的所述第一纳米砖转向角θ₁值和所述第二纳米砖转向角θ₂值进行排布，从而获得能产生实现双通道纳米印刷和双通道全息的超表面材料。

2.如权利要求1所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的第一纳米砖单元结构的结构参数以及优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的第二纳米砖单元结构的结构参数。

3.如权利要求2所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，

优化得到所述第一纳米砖单元结构的结构参数的方法为：以偏振方向沿第一纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿第一纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述第一纳米砖单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述第一纳米砖单元结构的结构参数

优化得到所述第二纳米砖单元结构的结构参数的方法为：以工作波长的圆偏振光垂直入射所述第二纳米砖单元结构，入射圆偏振光的透射交叉偏振效率不低于80％且透射的同向偏振效率不高于1％优化目标，在工作波长下扫描所述第二纳米砖单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述第二纳米砖单元结构的结构参数。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，所述第一纳米砖单元结构的结构参数包括所述第一纳米砖的长轴L₁、短轴W₁和高H₁以及所述第一工作面边长C₁的尺寸，所述第二纳米砖单元结构的结构参数包括所述第二纳米砖的长轴L₂、短轴W₂和高H₂以及所述第二工作面边长C₂的尺寸。

5.如权利要求2所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，出射光强I₁的第一函数关系为：I₁＝I₀ sin²(θ₁-α₁)；

出射光强I₂的第二函数关系为：I₂＝I₀ sin²(2θ₂-θ₁-α₂)。

6.如权利要求2所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，四种自由度的第一纳米砖的转向角为θ₁，π/2-θ₁，π/2+θ₁，π-θ₁时，四种自由度的第二纳米砖的转向角为θ₂，π/2-θ₂，π/2+θ₂，π-θ₂。

7.如权利要求1所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，所述基底包括第一基底和与所述第一基底相连的第二基底，所述第二纳米砖嵌于所述第一基底中，所述第一工作面为所述第一基底上背离所述第二基底的面，所述第二工作面为所述第二基底上与所述第一基底接触的面。

8.如权利要求1所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，所述基底由熔融石英玻璃材料制成，所述第一纳米砖由银材料制成，所述第二纳米砖均由硅材料制成。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法设计出的超表面材料。

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