CN111240173B - 基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，属于微纳光学、全息复用领域。本发明对于携带特定轨道角动量的涡旋光束，以及与之相匹配的输入和输出偏振态的组合，能够在检测平面上重建不同的全息图像。不同的输出偏振通道之间没有串扰。在正交偏振通道中能够实现一个涡旋光束阵列，作为输入光束所携带角动量的指示器。此外，所述轨道角动量选择性全息术能够提供用于擦除和修改全息照相重建图像的额外灵活性。通过利用轨道角动量光束描绘特定的图像细节，同时保留图像的有用方面，能够揭示一些隐藏(伪装)的信息，从而提供比平面波照明情况更复杂的场景，使得本发明使轨道角动量光束具有修改图像信息的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，属于微纳光学、全息复用领域。
背景技术
近年来，通过在图案化界面(即超表面)的亚波长范围内产生突变相变的梯度，发展了广义的斯涅尔定律，为波前调制从体元件转移到超薄表面提供了新的方式。超表面可以通过设计二维纳米级天线或谐振器阵列来提供定制电磁波阵面的通用平台。超表面已经以前所未有的方式成功地在微型光学中提供了广泛的实际应用，包括光束整形，光学隐身，全息显示，非线性光学，光学加密和存储。特别地，超表面全息术可以克服传统全息术所面临的挑战，并且具有大视野，消除不需要的衍射级和高信息容量等的优点。通过改变超表面的相位，幅度和极化设计灵活性，这种全息技术可以实现通用的复用和信息处理能力，超越了传统的全息技术。
作为基本物理特性之一，轨道角动量(OAM)引起了广泛的关注。带有OAM模式的涡旋光束具有特征性的甜甜圈强度分布并表现出螺旋相特征。由于不同的OAM模式之间的正交性，OAM被认为是光复用的最后一个维度，适用于实现大容量的光通信系统，光镊等。此外，OAM还发现了在量子信息处理和光通信中的许多应用。利用不同OAM模式之间的正交性和OAM守恒定律，OAM选择性全息术已具有实现具有复杂安全性特征的光学数据存储的潜力。然而，主要问题是较低的图像密度和可测量的图像之间的现有串扰量，以及信息容量较小、运算量较大、不能满足实际应用需要。基于多偏振通道的超表面全息复用研究也被相应的研究。这种方法仅考虑了偏振因素而没有考虑轨道角动量这一自由度的不同拓扑电荷数之间选择性和正交性独特效果，因此大大浪费了存储空间，降低了加密的安全性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有超表面全息复用技术存在不同通道串扰、信息容量较小、运算量较大，因而不能满足实际应用需要的问题。本发明提供一种基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法；该方法用于实现偏振和轨道角动量加密的全息超表面是由多个不同几何尺寸且横截面为矩形的介质柱阵列构成。根据介质柱的双折射原理和贝里相位原理以及计算的全息图相位来构成超表面。通过控制入射和出射光束的偏振态以及入射光束携带的轨道角动量，在其傅里叶平面可得到对应的全息重建像。根据超表面介质柱的几何尺寸，生成相应的加工文件。采用镀膜以及电子束刻蚀的微纳加工工艺加工透射型超表面。单片超表面具有微型化，安全性好，加密性强，存储密度高等优势。本方法是一种基于可见光和近红外波段的亚波长像素、超薄、大视场角、大容量的全息复用方法，此外，所述的全息复用方法能够有效降低不同再现像之间的串扰，并且能够实现圆偏振选择性的全息复用。
本发明基于轨道角动量和偏振选择性全息方法，用于使用全介质双折射超表面进行信息加密和图像生成。所述全介质双折射超表面的偏振选择性取决于对入射光的双折射响应。不同轨道角动量携带不同拓扑电荷数能够为全息加密提供额外的安全性和自由度。本发明对于携带特定轨道角动量的涡旋光束，以及与之相匹配的输入和输出偏振态的组合，能够在检测平面上重建不同的全息图像。不同的输出偏振通道之间没有串扰。在正交偏振通道中能够实现一个涡旋光束阵列，作为输入光束所携带角动量的指示器。此外，所述轨道角动量选择性全息术能够提供用于擦除和修改全息照相重建图像的额外灵活性。通过利用轨道角动量光束描绘特定的图像细节，同时保留图像的有用方面，能够揭示一些隐藏(伪装)的信息，从而提供比平面波照明情况更复杂的场景，使得本发明使轨道角动量光束具有修改图像信息的能力。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，包括如下步骤：
步骤1)利用优化的计算生成全息图方法(CGH)生成与偏振通道数量相同的三幅全息图，其中前两幅全息图与第三幅全息图具有关联关系，即满足式(1)。
对于多个偏振通道，利用由具有不同矩形横截面的介质柱阵列组成双折射介质超表面。每个介质柱视为琼斯矩阵，所述琼斯矩阵将输入场连接到输出场。由于结构单元的非手性对称性，反对角矩阵元素Txy和Tyx是相同的。单位琼斯矩阵能够分解为两个旋转矩阵和对角矩阵的乘法，如下所示：
其中，Δ表示单位琼斯矩阵J的特征向量，V表示旋转矩阵，R表示取向角为θ的旋转矩阵。
是与偏振相关的相位。为了在所有四个线性偏振通道中进行复用，涉及具有介质柱的透射幅度A的琼斯矩阵，琼斯矩阵表示如下：
因此，在交叉偏振通道中获得另一个相位调制自由度，即第三幅全息图；则前两幅全息图与第三幅全息图满足式(1)；
全息图中分别包含
或
的特征相位分布以获得轨道角动量选择性，并且在不同的偏振通道中独立地选择不同的拓扑电荷数。当全息图被带有与入射光束中携带相反轨道角动量的偏振光照射时，相应的编码相位(
或
)被“淬灭”，并且出射光场具有所需的相位
(或
)和
当全息图被带有与入射光束中携带非相反轨道角动量的偏振光照射时，重建的图像变得模糊。
步骤2)用于实现偏振和轨道角动量加密的全息超表面是由多个不同几何尺寸且横截面为矩形的介质柱阵列构成。扫描每个介质柱的长和宽，确定介质柱对平面光束的复振幅调制特性，得到相位图。根据所得相位图得到每个介质柱的双折射特性；
步骤3)依据步骤2)得到的双折射特性以及贝里相位原理，根据步骤1)得到的全息图排布每个介质柱，进而构成超表面；生成加工文件，并加工，得到实体超表面结构；
步骤4)将介质超表面放到光路中，通过控制入射光和出射光的偏振态以及入射光的轨道角动量照射到超表面上，在超表面的傅里叶平面上可得到对应的全息重建像。通过改变入射光的轨道角动量还可以在同一偏振通道得到不同的重建像，以此达到加密或者提高信息存储密度或消除各个偏振通道间及轨道角动量间的串扰的目的。
所述的优化的全息图方法为：在传统的计算全息图生成基础上加入轨道角动量参量作为调制因素，并且在生成全息图的过程中使得三幅全息图满足式(1)的关联关系。
有益效果：
1、本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，用于实现偏振和轨道角动量加密的超表面是由多个不同尺寸且横截面为矩形的介质柱构成。通过超表面对入射光的双折射响应以及入射轨道角动量选择性实现多通道多轨道角动量复用的全息。
2、本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，将计算的三幅全息图相位根据扫描的不同尺寸且横截面的介质柱透过率相位和几何相位原理编码成超表面。通过控制入射光和出射光的偏振组合以及入射光携带的轨道角动量的选择性重建多组不同的全息图像或实现拓扑电荷数检测等功能。各个偏振通道和轨道角动量差重建的全息像彼此之间没有串扰，可以拓展到任意拓扑电荷数。
3、本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，多个偏振通道与轨道角动量选择性的结合为全息加密提供了空前的优势。这样的技术可以应用在光束整形，光学伪装，全息加密，轨道角动量识别和检测，多维数据存储和动态显示。
4、本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，本方法可以通过振幅、角度等其他自由度的合理选择和设计拓展到更多维度的加密和显示等领域。
附图说明
图1是本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法及重建原理示意图；图A为本发明用于图像加密和拓扑电荷数指示器示意图；图B为本发明用于图像伪装示意图；
图2是本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法中单个结构示意图A；图B是xx偏振入射透过率振幅图；C是yy偏振入射透过率振幅图；D是xx偏振入射透过率相位图；E是xx偏振入射透过率相位图；
图3是本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法多偏振通道和轨道角动量加密的全息及拓扑电荷数指示模拟和实验结果；
图4是本发明的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法模拟衍射激发损耗方法全息模拟和实验重建结果。
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
实施例公开的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，过程如附图1所示，在800nm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：用于实现偏振和轨道角动量加密的全息超表面是由多个不同几何尺寸且横截面为矩形的介质柱阵列构成。利用优化的全息图算法生成三幅全息图(φ1，φ2和φ3)，其中前两幅全息图与第三幅全息图具有关联关系。首先扫描介质柱的长宽，确定介质柱对平面光束的复振幅调制特性，得到相位图。根据超表面结构的双折射特性以及贝里相位原理和计算生成的全息图设计排布超表面单元。通过控制入射光束和出射光束的偏振态以入射光束的轨道角动量，利用CCD或者其他光电器件在其傅里叶平面可得到对应的全息图重建像。所述的几何尺寸包括介质柱的高度H，长L，宽W，旋转角度θ以及超颖表面结构单元的周期P。
基于有限时域差分方法确定介质硅柱的高度H，全息超表面单元的周期P，扫描介质硅柱的半径D。针对入射波长800nm，实施例所用矩形介质硅柱的折射率为nsi＝3.693+0.006i。通过扫描得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸介质硅柱后的电场情况，由所得的电场数据得到同偏振方向通过不同尺寸的介质硅柱后的相位φxx,φyy以及透射强度Txx,Tyy,并且使相位均可以覆盖0～2π范围，同时透射强度Txx,Tyy应尽量高。根据先前计算的全息图相位(φ1和φ2)逐个像素寻找同时满足同偏振对应的相位的超表面单元，至此超表面结构几何尺寸确定。
步骤二：生成的全介质超表面加工文件，
根据步骤一确定的几何尺寸生成加工文件。确定矩形介质硅柱的长宽范围在80nm-280nm，如附图2所示。相位满足0-2π的相位调制。根据全息图生成算法产生的全息图相位排布超表面单元。步骤一确定的介质硅柱的几何尺寸生成加工文件。
步骤三：利用步骤二所得超表面的加工文件，通过介质硅镀膜和电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超表面。
步骤四：全息图记录和压缩重建，
将加工好的介质超表面放置在实验光路中，通过控制入射光和出射光的偏振态以及入射光的轨道角动量照射到超表面上，在超表面的傅里叶平面上可得到对应的全息重建像。如附图3(A-D)所示，入射光携带拓扑电荷数为0的轨道角动量，且在xx偏振通道和yy偏振通道得不到任何有效的信息。当入射光携带拓扑电荷数为40的轨道角动量时，如附图(E、F)，在xx偏振通道出现了单词“NATURE”。当入射光携带拓扑电荷数为20的轨道角动量时，如附图(G、H)，在yy偏振通道出现了单词“SCIENCE”。因为可以验证携带特定轨道角动量的涡旋光束入射时，有效信息才能展示出来，而携带其他轨道角动量信息时，则不能得到任何有效信息。在xx,yy偏振通道用于全息加密的场景得以验证和实现。
在交叉偏振通道(Txy和Tyx)中，会生成具有不同圆环半径的涡流阵列，作为输入角动量的指标。所述涡旋光束阵列带有与衍射级有关的轨道角动量，表示为l＝m×lx.这里m为衍射级次(0,±1,±2,…),lx预设的拓扑电荷数，主要优化涡流的五个衍射级，同时抑制了相位设计中所有其他不需要的级。根据角动量守恒定律，当输入光束中携带b的拓扑电荷时，涡旋阵列服从l＝m×lx+b.因此，当其涡旋电荷与输入光束相反时，相应的涡旋光束可以被消除，从而产生一个明亮的中心点。通过观察最亮点的位置，可以检测入射轨道角动量的拓扑电荷数。取决于平面波或涡旋束输入，涡旋阵列在带有拓扑电荷的正交极化通道中的行为不同。在交叉偏振通道(xy或yx)当入射不同拓扑电荷数(l＝0,10,20,40)等，发现对角线上的环形光束被依次点亮，淬灭成一个圆点，如附图3(I-P)所示。因此可借助此功能检测入射光束的拓扑电荷数。因此在交叉偏振通道同时实现了拓扑电荷指示器的功能。利用同一个超表面借助偏振和轨道角动量的灵活复用实现了全息加密和拓扑电荷数指示器功能。
实施例2
步骤一：用于实现偏振和轨道角动量加密的全息超表面是由多个不同几何尺寸且横截面为矩形的介质柱阵列构成。利用优化的全息图算法生成两幅全息图(φ1和φ2)，其中前两幅全息图相互独立。首先扫描介质柱的长宽，确定介质柱对平面光束的复振幅调制特性，得到相位图。根据超表面结构的双折射特性以及贝里相位原理和计算生成的全息图设计排布超表面单元。通过控制入射光束和出射光束的偏振态以入射光束的轨道角动量，利用CCD或者其他光电器件在其傅里叶平面可得到对应的全息图重建像。所述的几何尺寸包括介质柱的高度H，长L，宽W以及超颖表面结构单元的周期P。
基于有限时域差分方法确定介质硅柱的高度H，全息超表面单元的周期P，扫描介质硅柱的半径D。针对入射波长800nm，实施例所用矩形介质硅柱的折射率为nsi＝3.693+0.006i。通过扫描得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸介质硅柱后的电场情况，由所得的电场数据得到同偏振方向通过不同尺寸的介质硅柱后的相位φxx,φyy以及透射强度Txx,Tyy,并且使相位均可以覆盖0～2π范围，同时透射强度Txx,Tyy应尽量高。根据先前计算的全息图相位(φ1和φ2)逐个像素寻找同时满足同偏振对应的相位的超表面单元，至此超表面结构尺寸确定。
步骤二：生成的全介质超表面加工文件，
根据步骤一确定的几何尺寸生成加工文件。确定矩形介质硅柱的长宽范围在80nm-280nm，如附图2所示。相位满足0-2π的相位调制。根据全息图生成算法产生的全息图相位排布超表面单元。步骤一确定的介质硅柱的几何尺寸生成加工文件。
步骤三：利用步骤二所得超表面的加工文件，通过介质硅镀膜和电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超表面。
步骤四：全息图记录和压缩重建，
将加工好的介质超表面放置在实验光路中，通过控制入射光和出射光的偏振态以及入射光的轨道角动量照射到超表面上，在超表面的傅里叶平面上可得到对应的全息重建像。使用优化的计算生成全息图方法(CGH)，以便三个不同偏振通道中的相位调制变得彼此独立，并且三个不同偏振通道之间没有串扰。再利用不带有轨道角动量和带有
的轨道角动量的两种模式，在一个通道中编码两个相似的图像，此时带有
的轨道角动量的图像中的细节多于不带有轨道角动量的图像；因此，通过用平面波(不带有轨道角动量)或涡旋光束(带有轨道角动量)照射，可以重建生动的全息图像。但是，只有携带设计准确对应的OAM的入射光才能显示一些复杂的细节。除此之外，还设计了模拟亚衍射分辨率的受激发射损耗概念。如附图4(A/C/E/G)所示，当入射光束携带拓扑电荷数为0时，在xx通道和yy通道能够再现出一幅葡萄和树叶的像。如附图4(B/D/F/H)所示当入射光束携带拓扑电荷数为40时，原重建的葡萄和树叶的像呈现出更多的细节，如葡萄的纹络和树叶的锯齿形状。这样便达到了利用光束的轨道角动量修改图像细节的目的。至此，通过改变入射光的轨道角动量和偏振通道的选择组合还可以在得到不同的重建像，甚至的动态图像组合等，以此达到全息加密或者提高信息存储密度的目的。
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 (2)
1.基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1)利用优化的计算生成全息图方法(CGH)生成与偏振通道数量相同的三幅全息图，其中前两幅全息图与第三幅全息图具有关联关系，即满足式(1)；
对于多个偏振通道，利用由具有不同矩形横截面的介质柱阵列组成双折射介质超表面；每个介质柱视为琼斯矩阵，所述琼斯矩阵将输入场连接到输出场；由于结构单元的非手性对称性，交叉偏振通道Txy和Tyx是相同的；单位琼斯矩阵能够分解为两个旋转矩阵和对角矩阵的乘法，如下所示：
其中，Δ表示单位琼斯矩阵J的特征向量，V表示旋转矩阵、R表示取向角为θ的旋转矩阵；
是与偏振相关的相位；为了在所有四个线性偏振通道中进行复用，涉及具有介质柱的透射幅度A的琼斯矩阵，式(2)琼斯矩阵进一步表示如下：
因此，在交叉偏振通道中获得另一个相位调制自由度，即第三幅全息图；则前两幅全息图与第三幅全息图满足式(1)；
全息图中分别包含
或
的特征相位分布以获得轨道角动量选择性，并且在不同的偏振通道中独立地选择不同的拓扑电荷数；当全息图被带有与入射光束中携带相反轨道角动量的偏振光照射时，相应的编码相位(
或
)被“淬灭”，并且出射光场具有所需的相位
(或
)和
当全息图被带有与入射光束中携带非相反轨道角动量的偏振光照射时，重建的图像变得模糊；
步骤2)用于实现偏振和轨道角动量加密的全息超表面是由多个不同几何尺寸且横截面为矩形的介质柱阵列构成；扫描每个介质柱的长和宽，确定介质柱对平面光束的复振幅调制特性，得到相位图；根据所得相位图得到每个介质柱的双折射特性；
步骤3)依据步骤2)得到的双折射特性以及贝里相位原理，根据步骤1)得到的全息图排布每个介质柱，进而构成超表面；生成加工文件，并加工，得到实体超表面结构；
步骤4)将介质超表面放到光路中，通过控制入射光和出射光的偏振态以及入射光的轨道角动量照射到超表面上，在超表面的傅里叶平面上可得到对应的全息重建像；通过改变入射光的轨道角动量还可以在同一偏振通道得到不同的重建像，以此达到加密或者提高信息存储密度或消除各个偏振通道间及轨道角动量间的串扰的目的。
2.如权利要求1所述的基于偏振和轨道角动量加密的超表面全息方法，其特征在于：所述的优化的全息图方法为：在传统的计算全息图生成基础上加入轨道角动量参量作为调制因素，并且在生成全息图的过程中使得三幅全息图满足式(1)的关联关系。
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