CN111399088A - 一种基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法。该超表面由多个单元结构周期性阵列于一平面形成，结构单元包括纳米砖。该方法通过设计单元结构参数以构建超表面，可实现三通道图像显示：两种具有不同尺寸的纳米砖在白光光源下具有不同颜色，实现双色图案显示；且两种纳米砖在特定波长下可作用为相同的微纳起偏器，利用其偏振分光特性，可实现对线偏振光的光强调制以及对圆偏振光的相位调制，优化后同时在近远场分别实现连续灰度图案显示及全息图案显示。该超表面可由电介质或金属进行构造，通过特定光路对其进行解码，分别生成三种具有不同的图像，且具有较高的存储安全性，可广泛应用于信息加密、光学防伪、量子通信等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，尤其涉及一种具有微纳起偏器功能的超表面材料实现三通道图像显示的方法。
背景技术
超表面作为一种亚波长量级的新型光学材料，可对光波进行精确的振幅、相位、偏振、波长调控。由于其具有体积小、重量轻、便于集成等优点，大量基于超表面的新型光学元件被不断研究出来。通过组合几种超表面操控光的原理，可将两个不同的超表面重叠至一个超表面上，并实现多通道的图像复用功能。然而，目前所有提到的多通道图像复用方法均基于多种单元结构、像元设计或复杂的优化算法，且仅伴随两个图像通道，具有成本性能低、设计复杂、制造困难、空间分辨率低等缺点。因此，为了进一步提高信息容量和存储安全性能，亟需一种新的信息复用型超表面的设计方法，增加超表面光学调控功能的复杂性，以满足深层次的应用需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于微纳起偏器阵列的三通道图像显示方法，可使用一片超表面样片分别实现三种不同的双色图像、连续灰度图像以及全息图像显示。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，包括以下步骤：
(1)构建具有两种单元结构用于形成超表面；其中，所述单元结构为两层或三层结构，两层包括基底和设置于其上的纳米砖，三层结构从下到上依次为基底、介质层和纳米砖；所述超表面由多个单元结构周期性阵列于一平面形成；单元结构中纳米砖呈旋向角α设置于基底或介质层上；
(2)采用电磁仿真工具，设置工作波长对单元结构的尺寸参数进行优化，使得两种单元结构在该工作波长下作为微纳起偏器工作，并在在整个可见光波段产生两种具有较大差别的透反射光谱响应；
(3)利用两种单元结构在可见光照射下产生的两种颜色构建通道1；
(4)设计双色图案，将其颜色信息转化为单元结构的排布，以实现通道1显示双色图案；
(5)利用两种单元结构作为微纳起偏器，在单元结构入射端、出射端分别设置起偏器和检偏器，选定起偏器、检偏器的偏振态组合，当一束工作波长的线偏光依次经过起偏器、纳米砖单元结构以及一个检偏器时，出射光的光强会受到调制，可对出射光光场的光强分布进行灵活设计，实现通道2的连续灰度图像显示；
(6)设计连续灰度图像，将其灰度信息转换为单元结构的旋向角排布，以实现通道2显示该连续灰度图像；
(7)继续利用两种单元结构作为微纳起偏器，当一束工作波长的圆偏光经过纳米砖单元结构时，出射光的相位会受到调制，可对出射光光场的相位分布进行灵活设计，实现通道3的全息图像显示；
(8)设计相位型全息图像，基于纳米砖的角度简并性，将其相位信息转换为单元结构的旋向角排布，并保持通道2连续灰度图像信息不变，以实现通道3显示该全息图像；
(9)完成超表面的构建，通过改变超表面工作状态实现三种通道的切换，以实现三种图像的显示；在宽带光源照射下以通道1工作，在加入额外起偏器、检偏器以及工作波长的窄带光源下以通道2工作，在工作波长的激光照射下以通道3工作。
进一步，所述步骤(1)中纳米砖、介质层和基底均为长方体结构；其中基底和介质层横截面为正方形；两种单元结构的基底尺寸相同，纳米砖尺寸不同。
进一步，所述两层单元结构的基底由折射率低且透明光学材料构建，材料包括MgF2、Al2O3、SiO2，纳米砖的材料包括TiO2、Si、Ag、Au、Cu、Al；所述三层单元结构的基底由不透光材料构建，包括Si和Ag、Au、Cu、Al，介质层由低折射率且透明的电介质构建，包括MgF2、Al2O3、SiO2，纳米砖的材料包括TiO2、Si、Ag、Au、Cu、Al。
进一步，所述步骤(1)中所述步骤(2)中尺寸参数包括纳米砖长L、宽W、高H和介质层厚度d、横截面边长CS。上述参数均为亚波长量级。
进一步，所述步骤(2)中优化目标为：两种单元结构反射光谱响应区别较大，且特定波长设计下的线偏光垂直入射时，出射光中p波的反射率最高、s波的反射率被抑制至最低，两种单元结构在设计波长下的透反射率相等。单元结构工作模式为反射式或透射式。
进一步，所述步骤(4)中双色图像信息转换为纳米砖排布的方法如下：利用两种单元结构在可见光波段具有两种不同的透反射光谱响应，当使用一束任意偏振态的宽光谱光源照射两种单元结构共同构造的超表面样片时，可在其反射近场处观察到两种不同颜色，通过设计单元结构的排布规律实现两种颜色的一一对应以实现通道1中存储该双色图案信息。
进一步，所述步骤(6)中连续灰度图像信息转化为纳米砖排布的方法如下：单元结构中纳米砖与基底顶面一边长的夹角为旋向角，当光束依次通过起偏器、单元结构和检偏器时，利用旋向角的控制对出射光的光强进行逐点且精密的调控，产生多种灰度调制状态；然后建立连续灰度图像中的像素和每个单元结构的旋向角一一对应的关系，最终实现通道2中存储连续灰度图像信息。
进一步，所述步骤(8)中全息图像信息转换为纳米砖排布的方法如下：单元结构中纳米砖与基底顶面一边长的夹角为旋向角，当光束通过单元结构，利用旋向角的控制对出射光的相位调控；然后在保证通道2灰度图像信息不变的基础上，建立全息图像中的像素和每个单元结构的旋向角一一对应的关系，最终实现通道3中存储全息图像信息。
进一步，所述旋向角为：以基底顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖的长轴与x轴的夹角为旋转角，旋向角的范围为0～π。
本发明的另一目的在于提供利用上述方法制备的基于微纳起偏器阵列超表面。
工作原理：
1、优化单元结构尺寸参数
所述具有起偏器功能的介质纳米砖阵列超表面，由多个纳米砖单元结构周期性阵列于一平面上构成；
所述单元结构包括两层(或三层)结构，由下至上依次为基底和顶层(或基底、介质层和顶层)；
其中，
基底为具有正方形顶面的方块；
介质层为具有正方形顶面的方块；
顶层为纳米砖；
基底和介质层的顶面边长相同；
以介质层顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖的长轴与x轴的夹角为旋转角α；α的范围为0～π；
所述单元结构的周期CS为介质层顶面的边长；
所述单元结构共两种尺寸，分别记为纳米砖A和纳米砖B；
当使用介质Si构建纳米砖时，通过优化设计，可使得Si纳米砖在工作波长下长轴方向发生强烈的电磁场共振效应，产生高反射率而短轴方向不发生任何共振效应，从而使短轴方向具有较高的透射率且反射率被抑制到很低，此时，Si纳米砖可作为微纳起偏器工作。此外，需要设计两种纳米砖结构使其同时在工作波长实现相同的偏振分光功能，且整个可见光波段的透反射率分布具有极大差异，从而产生两种不同的结构色。
通过电磁仿真法优化纳米砖的结构参数，找到两组具有不同长宽的纳米砖(A、B)使得反射率光谱(400nm～800nm)响应具有较大区别且特定设计波长下的线偏光垂直入射时，出射光中p波的反射率最高、s波的反射率被抑制至最低(或s波的透射率最高，p波的透射率被抑制至最低)。对于基底-介质层-纳米砖结构，结构参数包括纳米砖的长L、宽W、高H、周期CS以及介质层厚度d，工作模式为反射式；对于基底-纳米砖结构，结构参数包括纳米砖的长、宽W、高H以及周期CS，工作模式为反射式或透射式。
纳米砖入射面为纳米砖长轴方向矢量与入射方向矢量共面的平面；s波为偏振态的入射光所分解的电场垂直于纳米砖入射面的线偏振波；所述p波为偏振态的入射光所分解的电场水平于纳米砖入射面的线偏振波。
2、图案信息转化
实现通道1的双色图案显示时，仅需使用一个宽带光源(例如白炽灯、手电筒、卤素灯等)照射超表面样片，不同纳米砖结构对应不同结构色。通过设计单元结构的排布规律实现两种颜色的一一对应以实现通道1中存储该双色图案信息。
实现通道2的灰度图像显示时，需使用一个工作波长下的窄带光源照射超表面样片，且增加一个起偏器以及一个检偏器来控制入射光(照射到超表面的光)以及出射光的偏振方向、振幅大小。根据马吕斯定律，出射光的光强可表示为
其中，Iin与Iout分别为入射光、出射光的光强；θ1和θ2分别为起偏器、检偏器的透光轴与x轴的夹角，θ1、θ2的范围为0～2π；α为纳米砖旋转时长轴与x轴的夹角；x轴沿着基底顶面一边长方向，当纳米砖长轴与x轴方向重合时，α为0。基于公式(1)，可对出射光场光强进行灵活设计。利用旋向角的控制对出射光的光强进行逐点且精密的调控，产生多种灰度调制状态；然后建立连续灰度图像中的像素和每个单元结构的旋向角一一对应的关系，最终实现通道2中存储连续灰度图像信息。
实现通道3的全息图像显示时，当α在0～π之间进行取值时，通道2中每个像素的Iout将对应有四个不同的α取值进行选择，这称之为纳米砖旋向角选择的简并性。结合纳米砖旋向角的简并性以及对圆偏光的相位调控特性，优化纳米砖阵列的旋向角分布(每个砖有四种选择)，可实现对出射光场的相位调控，并设计一个四台阶的傅里叶全息。其中，纳米砖结构对于圆偏光的相位调制功能可表示为：
Ain为入射光的振幅。当圆偏光入射时，出射光分为两种旋向的圆偏光：旋向与入射光相反的部分将携带±2α的相位调制量，这一部分用于设计全息图案；旋向与入射光相同的部分不携带任何相位调制量，设计全息图案时这一部分将表现为0级光。从纳米砖的四种旋向状态中选取合适的旋向角，保证通道2灰度图像信息不变的同时，利用旋向角的控制对出射光的相位进行调控；然后建立全息图像中的像素和每个单元结构的旋向角一一对应的关系，最终实现通道3中存储全息图像信息。
在完成超表面的构建后，通过改变超表面工作状态实现三种通道的切换，以实现三种图像的显示：在宽带光源照射下以通道1工作，在加入额外起偏器、检偏器以及工作波长的光源下以通道2工作，在工作波长的激光照射下以通道3工作。通道1、2均可使用显微镜直接在反射近场处观察图像，其中，图像2需要在特殊的起偏器、检偏器组成的偏振光路中才能被解读，通道3在远场的傅里叶成像面上可观察到全息图像。
本发明的有益效果：
(1)本发明仅通过将超表面材料的光谱响应特性、简并性以及几何相位调控特性相结合即可实现三通道的图像显示功能；
(2)本发明的纳米砖结构可使用各种电介质、金属构造，设计灵活，结构简单；
(3)本发明的三个图像显示通道相互独立、互不影响，提高了超表面结构的信息存储容量；
(4)本发明的通道1、3可直接在近场、远场被观测到，而通道2需要在特定工作状态(起偏器、检偏器)下才能被解读，因此认为通道1、3可用于设计伪装图像而通道2可用于信息加密等功能，具有较高的安全性、隐蔽性；
(5)本发明提出的纳米砖尺度在亚波长量级，具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域，例如光学防伪、信息加密、高密度信息存储等。
附图说明
图1是实施例中纳米砖单元的三维立体结构示意图；
图2是实施例中纳米砖单元结构沿长轴、短轴方向的反射率分布；
图3是实施例中纳米砖单元结构在等能光源照射下的反射光谱分布；
图4是实施例中纳米砖单元结构在工作波长的窄带光源照射下的反射光谱分布；
图5是实施例中超表面实现三通道图像显示的示例；
图中，1-Al2O3衬底；2-Si纳米砖；L为纳米砖长轴尺寸；W为纳米砖短轴尺寸；H为纳米砖高度；CS为纳米砖周期尺寸大小；α为纳米砖旋转角。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例以双层结构的Si纳米砖为例，工作模式为反射式。见图1所示的Si纳米砖单元结构，从下至上依次为Al2O3衬底1和介质Si构建的纳米砖2。纳米砖阵列由纳米砖单元结构周期性排列构成，纳米砖单元结构具有两种不同的几何尺寸结构，纳米砖为长方体形，且其长宽高均为亚波长尺寸。
所述基于Si纳米砖阵列结构的超表面样片可采用本领域常规的光刻工艺制作，下面将提供一种具体制备工艺，使用一种常见的半导体材料SOS材料(Al2O3衬底上一层230nm厚的晶体Si膜层)进行制备，包括步骤：
(1)SOS材料上涂镀光刻胶；
(2)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；
(3)依次经显影、刻蚀，即在Al2O3衬底1上获得电介质纳米砖阵列。
下面将提供所述基于Si基超表面的反射型起偏器及其用于三通道图像显示的具体实施过程。
本实施例中，采用SOS材料为原材料设计纳米砖结构，其衬底为Al2O3，顶层为晶体Si材料(构建纳米砖)。SOS材料中Si层的厚度为230nm，因此工作波长设置为550nm，纳米砖单元结构模型见图1。
第一步，采用现有的CST电磁仿真工具，对纳米砖单元结构的周期CS、长L、宽W进行扫描，计算其在可见光波段(400nm～800nm)下的反射率分布，以选择两种具有不同光谱响应且在550nm具有相同偏振分光功能的纳米砖结构为优化目标，对纳米砖单元结构进行优化设计。本实施例中，优化后的纳米砖单元结构几何参数为：两种纳米砖周期C＝300nm，宽W＝60nm，高H＝230nm；纳米砖A长L＝110nm，纳米砖B长L＝200nm。
第二步，对确定的纳米砖单元结构，分析其在400nm～800nm范围内的反射率，见图2所示，其中，R1l、R2l分别为纳米砖A、B沿长轴方向的反射率，R1s、R2s分别为纳米砖A、B沿短轴方向的反射率。可以看出，当工作波长在550nm时，纳米砖A、B的长轴反射率近似相等，为70％，纳米砖A、B的短轴反射率也均被抑制至7％左右，因此可直接用于设计三个通道。
第三步，设计通道1下的双色图案。图3为等能光源照射下的纳米砖A、B反射光谱分布(分别为R1、R2)，两种反射光谱对应两种完全不同的结构色。以图5中通道1的双色图案为设计目标，图中黑色叶子部分排布纳米砖A，白色背景部分排布纳米砖B。
第四步，设计通道2下的连续灰度图案。图4为窄带光源照射下纳米砖A、B的反射光谱分布，此时纳米砖A、B可看做同一种微纳起偏器结构，令θ1＝0，θ2＝π/2，则所实现图案的灰度值可通过公式(1)简化为
Gray＝sin2(2α) (3)
图5中通道2的灰度图案为设计目标，图案中每个像素对应于纳米砖阵列中的一个纳米砖结构，对于特定的灰度值(Gray)，α取某一种特定选择[例如α＝arcsin(Gray)/2]设计纳米砖阵列的初始旋向角分布。
第五步，设计通道3下的全息图案。在550nm时，纳米砖A、B可看做同一微纳起偏器产生偏振分光功能，而对于圆偏光的相位调控功能，由于纳米砖结构不同所导致的传输相位差异需要被考虑，因此纳米砖对于反向出射圆偏光的相位调控可表示为
Phase＝β±2α, (4)
其中，β为纳米砖的传输相位，可通过对纳米砖A、B进行仿真计算得到，当入射光为左旋圆偏光时公式(4)取“+”号，当入射光为右旋圆偏光时公式(4)取“-”号。对于通道2中的连续灰度图案，由于加入了起偏器和检偏器，纳米砖阵列的每个纳米砖的α均具有四种不同选择[arcsin(Gray)/2,π/2-arcsin(Gray)/2,π/2+arcsin(Gray)/2和π-arcsin(Gray)/2]。通过优化纳米砖阵列的旋向角排布(在四种不同α中灵活选择)，可以图5中通道3的全息图案为目标图像设计一个四台阶的成像在远场处的傅里叶全息。
第六步，实验实现三通道图像显示。基于以上设计原则，通过改变超表面的工作状态来实现不同通道的来回切换。通道1、2均可使用显微镜在反射近场处观察图像：使用显微系统自带的卤素光源，通道1的双色“叶子”图案可被直接观察到；在显微系统中依次插入550nm的窄带滤波片、θ1＝0的起偏器以及θ2＝π的检偏器，可观察到通道2的连续灰度“猫咪”图像。当使用波长为550nm的激光器垂直照射到超表面上，则在远场的傅里叶成像面上可观察到通道3的四台阶全息“花”图像。
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 (10)
1.一种基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建具有两种单元结构用于形成超表面；其中，所述单元结构为两层或三层结构，两层包括基底和设置于其上的纳米砖，三层结构从下到上依次为基底、介质层和纳米砖；所述超表面由多个单元结构周期性阵列于一平面形成；单元结构中纳米砖呈旋向角α设置于基底或介质层上；
(2)采用电磁仿真工具，设置工作波长对单元结构的尺寸参数进行优化，使得两种单元结构在该工作波长下作为微纳起偏器工作，并在在整个可见光波段产生两种具有较大差别的透反射光谱响应；
(3)利用两种单元结构在可见光照射下产生的两种颜色构建通道1；
(4)设计双色图案，将其颜色信息转化为两种单元结构的排布，以实现通道1显示双色图案；
(5)利用两种单元结构作为微纳起偏器，在单元结构入射端、出射端分别设置起偏器和检偏器，选定起偏器、检偏器的偏振态组合，当一束工作波长的线偏光依次经过起偏器、纳米砖单元结构以及一个检偏器时，出射光的光强会受到调制，可对出射光光场的光强分布进行灵活设计，实现通道2的连续灰度图像显示；
(6)设计连续灰度图像，将其灰度信息转换为单元结构的旋向角排布，以实现通道2显示该连续灰度图像；
(7)继续利用两种单元结构作为微纳起偏器，当一束工作波长的圆偏光经过纳米砖单元结构器时，出射光的相位会受到调制，可对出射光光场的相位分布进行灵活设计，实现通道3的全息图像显示；
(8)设计相位型全息图像，基于纳米砖的角度简并性，将其相位信息转换为单元结构的旋向角排布，并保持通道2连续灰度图像信息不变，以实现通道3显示该全息图像；
(9)完成超表面的构建，通过改变超表面工作状态实现三种通道的切换，以实现三种图像的显示；在宽带光源照射下以通道1工作，在加入额外起偏器、检偏器以及工作波长的窄带光源下以通道2工作，在工作波长的激光照射下以通道3工作。
2.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述步骤(1)中纳米砖、介质层和基底均为长方体结构；其中基底和介质层横截面为正方形；两种单元结构的基底尺寸相同，纳米砖尺寸不同。
3.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述两层单元结构的基底由折射率低且透明光学材料构建，材料包括MgF2、Al2O3、SiO2，纳米砖的材料包括TiO2、Si、Ag、Au、Cu、Al；所述三层单元结构的基底由不透光材料构建，包括Si和Ag、Au、Cu、Al，介质层由低折射率且透明的电介质构建，包括MgF2、Al2O3、SiO2，纳米砖的材料包括TiO2、Si、Ag、Au、Cu、Al。
4.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述步骤(2)中尺寸参数包括纳米砖长L、宽W、高H和介质层厚度d、横截面边长CS。
5.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述步骤(2)中优化目标为：两种单元结构反射光谱响应区别较大，且特定波长设计下的线偏光垂直入射时，出射光中p波的反射率最高、s波的反射率被抑制至最低，两种单元结构在设计波长下的透反射率相等。
6.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述步骤(4)中双色图像信息转换为纳米砖排布的方法如下：利用两种单元结构在可见光波段具有两种不同的透反射光谱响应，当使用一束任意偏振态的宽光谱光源照射两种单元结构共同构造的超表面样片时，可在其反射近场处观察到两种不同颜色，通过设计单元结构的排布规律实现两种颜色的一一对应以实现通道1中存储该双色图案信息。
7.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述步骤(6)中连续灰度图像信息转化为纳米砖排布的方法如下：单元结构中纳米砖与基底顶面一边长的夹角为旋向角，当光束依次通过起偏器、单元结构和检偏器时，利用旋向角的控制对出射光的光强进行逐点且精密的调控，产生多种灰度调制状态；然后建立连续灰度图像中的像素和每个单元结构的旋向角一一对应的关系，最终实现通道2中存储连续灰度图像信息。
8.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于：所述步骤(8)中全息图像信息转换为纳米砖排布的方法如下：单元结构中纳米砖与基底顶面一边长的夹角为旋向角，当光束通过单元结构时，在保证通道2灰度图像信息不变的基础上，利用旋向角的控制对出射光的相位调控；然后建立全息图像中的像素和每个单元结构的旋向角一一对应的关系，最终实现通道3中存储全息图像信息。
9.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器阵列超表面的三通道图像显示方法，其特征在于，所述旋向角为：以基底顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖的长轴与x轴的夹角为旋转角，旋向角的范围为0～π。
10.一种基于微纳起偏器阵列超表面，其特征在于：采用权利要求1～8任一项所述方法制备。
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112286028A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-01-29 | 武汉大学 | 基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法 |
| CN112684602A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-20 | 武汉大学 | 用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法 |
| CN112882140A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法 |
| CN112882139A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法 |
| CN112882141A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法 |
| CN113094927A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-09 | 浙江工业大学 | 一种利用新型光学薄膜实现多通道信息编码的方法 |
| CN113311683A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-27 | 武汉大学 | 一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件 |
| CN113406729A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-17 | 武汉大学 | 基于宽带可见光纳米超表面的双向全息调制方法及应用 |
| CN114236680A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-25 | 武汉大学 | 一种可实现多功能的片上超表面及其设计方法和应用 |
| CN115150521A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-10-04 | 武汉大学 | 基于三通道超表面的移位加密系统及其设计方法 |
| CN115373053A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-22 | 武汉大学 | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 |
| CN116205111A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-06-02 | 北京理工大学 | 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0719122B9 (en) * | 1993-09-13 | 2007-12-26 | SCA Hygiene Products AB | Absorption body |
| CN104777545A (zh) * | 2015-05-05 | 2015-07-15 | 武汉大学 | 一种硅纳米砖阵列偏振分光器 |
| CN105807598A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-07-27 | 武汉大学 | 应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法 |
| CN110376672A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-10-25 | 武汉大学 | 一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用 |
| CN110426783A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-11-08 | 武汉大学 | 一种基于微纳半波片的多功能超表面 |
| CN110568528A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 一种基于soi材料的双模超表面及其双模显示应用 |
| CN110597022A (zh) * | 2019-09-24 | 2019-12-20 | 武汉大学 | 基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术 |
-
2020
- 2020-03-25 CN CN202010217595.1A patent/CN111399088B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0719122B9 (en) * | 1993-09-13 | 2007-12-26 | SCA Hygiene Products AB | Absorption body |
| CN104777545A (zh) * | 2015-05-05 | 2015-07-15 | 武汉大学 | 一种硅纳米砖阵列偏振分光器 |
| CN105807598A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-07-27 | 武汉大学 | 应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法 |
| CN110426783A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-11-08 | 武汉大学 | 一种基于微纳半波片的多功能超表面 |
| CN110376672A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-10-25 | 武汉大学 | 一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用 |
| CN110568528A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 一种基于soi材料的双模超表面及其双模显示应用 |
| CN110597022A (zh) * | 2019-09-24 | 2019-12-20 | 武汉大学 | 基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| QI DAI ET AL.: "Ultracompact, high-resolution and continuous grayscale image display based on resonant dielectric metasurfaces", 《OPTICS EXPRESS》 * |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112286028A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-01-29 | 武汉大学 | 基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法 |
| CN112684602A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-20 | 武汉大学 | 用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法 |
| CN112882140B (zh) * | 2021-01-27 | 2022-01-14 | 武汉大学 | 实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法 |
| CN112882141A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法 |
| CN112882139A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法 |
| CN112882140A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法 |
| CN112882141B (zh) * | 2021-01-27 | 2022-01-14 | 武汉大学 | 彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法 |
| CN113094927A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-09 | 浙江工业大学 | 一种利用新型光学薄膜实现多通道信息编码的方法 |
| CN113094927B (zh) * | 2021-04-25 | 2023-02-03 | 浙江工业大学 | 一种利用新型光学薄膜实现多通道信息编码的方法 |
| CN113311683B (zh) * | 2021-05-20 | 2022-05-20 | 武汉大学 | 一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件 |
| CN113311683A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-27 | 武汉大学 | 一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件 |
| CN113406729A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-17 | 武汉大学 | 基于宽带可见光纳米超表面的双向全息调制方法及应用 |
| CN114236680A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-25 | 武汉大学 | 一种可实现多功能的片上超表面及其设计方法和应用 |
| CN115150521A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-10-04 | 武汉大学 | 基于三通道超表面的移位加密系统及其设计方法 |
| CN115150521B (zh) * | 2022-06-10 | 2023-08-25 | 武汉大学 | 基于三通道超表面的移位加密系统及其设计方法 |
| CN115373053A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-22 | 武汉大学 | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 |
| CN115373053B (zh) * | 2022-08-29 | 2023-09-19 | 武汉大学 | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 |
| CN116205111A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-06-02 | 北京理工大学 | 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法 |
| CN116205111B (zh) * | 2023-03-09 | 2024-01-16 | 北京理工大学 | 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法 |
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