CN112286028A - 基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，所述基于电介质超表面的相位型像全息包括一基底、一反射式纳米砖阵列；基底上排布有周期性排列的纳米砖阵列单元，衍射距离为0.1～1um；所述电介质纳米砖阵列纳米砖单元数目与目标图像像素数相等，各纳米砖单元大小相同，转角各异；本发明所提出的基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，与传统的全息迭代设计算法相比，其优势在于设计算法简单，可实施性极强，且设计制备出来的像全息图效率高、成像质量优异，相较于表面浮雕型全息图，本发明具有体积小，质量轻便，以及可以批量复制的优势，可广泛的应用于图像显示、信息加密等领域。
Description
技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，尤其涉及一种基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法。
背景技术
像全息技术由于其对光源的要求较低，即像全息图可以采用白光光源照明复现，在日常的生活中，具有极大的实用性和应用价值。但是传统的振幅型像全息采用成像光束与记录干板的距离非常小，对于记录条件有较高的要求，结构复杂，且受限于记录介质，效率无法达到一个特别高的水平，此外，记录后的全息片对于保存环境同样有着较高的要求。因此，像全息技术亟待高效率、鲁棒性更高的新技术出现。
传统像全息技术采用干涉记录的方式，采用记录介质在待记录物体附近将物光与参考光的干涉情况记录下来，记录的全息图仅保留了干涉条纹的振幅信息，而丢失了相位信息。振幅全息图由于其缺少相位信息，具有多级衍射级，导致其衍射效率较低。然而虽然相位全息图效率较高，但是其制备方式复杂，不便于大批量生产制造，且整个制造过程中使用的材料包含较多的有毒有害物质，例如铁氰化钾、氯化汞等，对环境损伤较大。
近年来，超表面作为新兴的光学材料，以其优越的光学性能受到越来越多的关注，表面的微小周期性结构将会改变物体表面的等效折射率，从而实现对光波的精细操控。且超表面加工工艺成熟，结构简单，便于复制，是一个用来设计相位型像全息的优秀选择。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，所述相位型像全息包括一正方体形的基底和反射式电介质纳米砖阵列；
所述反射式电介质纳米砖阵列由在基底上周期性排列的若干反射式纳米砖阵列单元构成；电介质纳米砖阵列中，纳米砖的数目与目标图像的像素数相等，所述反射式纳米砖阵列单元的结构尺寸一致但其方向角不同；所述电介质纳米砖为亚波长尺寸；所述方位角为电介质纳米砖长的方向和X轴方向的夹角，X轴方向为基底长的方向；所述电介质纳米砖的转角按照目标图像设计相位分布，具体的设计方法包括如下步骤：
步骤1：根据目标图像及其像全息相关参数，设定工作波长λ和工作距离z，所属工作波长为可见光波段，所述工作距离为微米级，取值为0.1～1um；所述相关参数包括像全息的大小、像素数；
步骤2：以电介质纳米砖为载体，采用相位全息的记录方式来记录像全息，相位型像全息的相位分布
表示为：
其中，B(x,y)为物光，R(x,y)为参考光；
步骤3：采用电磁软件来优化电介质纳米砖单元的结构尺寸，所述结构尺寸包括长度L、宽度W、高度H以及周期C；
步骤4：根据步骤3得到的电介质纳米砖的结构尺寸，电介质纳米砖的转角为步骤2中获得的相位分布
的一半，将电介质纳米砖周期地排布在基底上，完成相位型像全息的设计与制备。
进一步地，本发明的所述电介质纳米砖材料为晶体硅；所示基底的材料为氧化铝。
进一步地，本发明的所述电介质纳米砖优化后的结构尺寸为：长度L＝225nm，宽度W＝110nm，高度H＝230nm，周期C＝340nm。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，具有以下优点和积极效果：
(1)完整的保留了像全息的技术特点，保证了目标图像可以由白光再现的同时，引入了相位型全息的技术优势，全息效率高，再现象的质量更好；
(2)基于电介质超表面的相位型像全息不同于传统的相位型全息，其采用光刻工艺，可以大批量复制，且不会使用到有毒有害物质，对环境友好；
(3)本发明中的相位算法计算简单，不需要多步迭代算法，对计算的要求很低；
(4)本发明中基于电介质纳米砖的相位型像全息的工作距离为微米量级，因此，对于入射光的偏振态不敏感，采用任意偏振光照射均能得到设计的目标图像。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是具体实施方式中电介质纳米砖单元结构示意图；
图2是具体实施方式中电介质纳米砖单元的转换效率示意图；
图3是具体实施方式中反射式相位型像全息的目标图像；
图4是具体实施方式中反射式相位型像全息的相位分布情况；
图5是具体实施方式中左旋圆偏光入射到超表面的再现象；
图6是具体实施方式中右旋圆偏光入射到超表面的再现象；
图7是具体实施方式中线偏光入射到超表面的再现象；
图8是具体实施方式中工作波长入射下像全息工作示意图；
图中，1-电介质纳米砖单元，2-氧化铝基底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
在本实施例中，选取可见光波段主波长λ＝633nm为相位型像全息的工作波长，并设定全息片的在工作距离为z＝100nm。
步骤1，根据目标图像确定相位型像全息的相关参数，所属参数包括全息图的大小，像素数、衍射距离以及工作波长，目标图像如图3所示。
相位型像全息像素数与目标图像保持一致，即一个纳米砖单元对应着一个目标图像像素，当确定纳米砖单元的周期大小后，相位型像全息的大小也随之确定。在本实施例中，选取目标图像大小为500*500个像素，衍射距离z＝100nm，工作波长为633nm。其具体方法为：
步骤2，设计相位型像全息的相位分布。
根据相位全息的设计方式，来记录像全息，即将物光与参考光的干涉图样以相位全息的形式来记录，干涉图样可以表示为：
其中，B(x,y)为物光，R(x,y)为参考光，
为两束光的干涉系数。为了抑制不必要的条纹，选取参考光的表达式为：
R(x,y)＝e0.8iγ(x,y) (2)
其中，γ(x,y)为满足均匀分布U[0,1]的随机数。
根据相位全息的特点，在线性记录条件下，相位变化与曝光光强成正比，即：
忽略吸收，并略去常数项，相位型像全息的相位分布
可以表示为：
因此，相位分布
如图4所示，相位全息的复振幅透过率可以表示为：
利用第一类贝塞尔函数的积分公式，上式可以表示为：
当采用原参考光照明相位全息图时，J-1和J+1分别对应着正负一级衍射级，即原始物光波及其共轭光波。
步骤3，确定电介质纳米砖及其基底的材料和结构尺寸，图1所示为电介质纳米砖单元的结构，该图示出了周期大小为C的基底单元2、以及一长L、宽W、高H的电介质纳米砖1，电介质纳米砖1与基底单元2的中心在XOY平面的投影重合。本发明所采用的坐标系，以基底长和宽的方向分别为X轴和Y轴方向，以基底高的方向为Z轴方向，XOY平面即基底上表面所在平面。所述电介质纳米砖单元1采用晶体硅材料，基底2采用氧化铝材料。
通过优化设计电介质纳米砖1的结构尺寸大小，使电介质纳米砖1的长轴和短轴方向存在相位延迟的同时振幅保持一致。也就是说，电介质纳米砖单元1可等效为一个微型的相位延迟器。更进一步地，当该相位延迟为π时，则可实现半波片功能。半波片具有相位调控功能，其可通过公式推导证明。
已知半波片琼斯矩阵
其中，α为电介质纳米砖长轴在纳米砖坐标系中的方向角，即电介质纳米砖的长与X轴的夹角，方向角α用来表示电介质纳米砖的朝向。当入射光是随机偏振态的入射光时，琼斯矢量可以用
表示，其中，±代表旋向，i表示虚数单位。
因此，出射光波可以表示为：
从(7)式可看出，出射光受到电介质纳米砖的调制变成旋向相反的圆偏光，且附加了一个±2α的相位延迟。这就是本发明基于电介质超表面相位型像全息的相位调制原理。
所述几何参数包括电介质纳米砖的长度L、宽度W、高度H、以及周期大小C。本步骤利用现有的电磁仿真软件平台完成。所述交叉偏振指左旋圆偏振光转化为右旋圆偏振光或右旋圆偏振光转化为左旋圆偏振光；所述同向偏振指左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的旋向不发生变化。
本实施例中，优化后的几何参数为：L＝225nm，W＝110nm，H＝230nm，C＝340nm，这里，L、W、H、C分别指反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的长度、宽度、高度、以及周期大小。该几何参数下，反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图见图2。
步骤4，根据步骤2得到的相位分布
来排布电介质纳米砖单元的转角分布，电介质纳米砖单元的转角α等于相位分布
的一半，按照转角排布情况将整个电解质纳米砖阵列分布在氧化铝基底上，至此完成了基于电解质纳米砖的相位型像全息的设计。当一束光垂直入射到超表面上时，可以在距离超表面100nm处再现出目标图像。图5～7分别是左旋圆偏光、右旋圆偏光以及线偏光垂直入射的仿真结果。图8是工作波长垂直入射到相位型像全息超表面的示意图。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，其特征在于，所述相位型像全息包括一正方体形的基底和反射式电介质纳米砖阵列；
所述反射式电介质纳米砖阵列由在基底上周期性排列的若干反射式纳米砖阵列单元构成；电介质纳米砖阵列中，纳米砖的数目与目标图像的像素数相等，所述反射式纳米砖阵列单元的结构尺寸一致但其方向角不同；所述电介质纳米砖为亚波长尺寸；所述方位角为电介质纳米砖长的方向和X轴方向的夹角，X轴方向为基底长的方向；所述电介质纳米砖的转角按照目标图像设计相位分布，具体的设计方法包括如下步骤：
步骤1：根据目标图像及其像全息相关参数，设定工作波长λ和工作距离z，所属工作波长为可见光波段，所述工作距离为微米级，取值为0.1～1um；所述相关参数包括像全息的大小、像素数；
步骤2：以电介质纳米砖为载体，采用相位全息的记录方式来记录像全息，相位型像全息的相位分布
表示为：
其中，B(x,y)为物光，R(x,y)为参考光；
步骤3：采用电磁软件来优化电介质纳米砖单元的结构尺寸，所述结构尺寸包括长度L、宽度W、高度H以及周期C；
步骤4：根据步骤3得到的电介质纳米砖的结构尺寸，电介质纳米砖的转角为步骤2中获得的相位分布
的一半，将电介质纳米砖周期地排布在基底上，完成相位型像全息的设计与制备。
2.根据权利要求1所述的基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，其特征在于，所述电介质纳米砖材料为晶体硅；所示基底的材料为氧化铝。
3.根据权利要求1所述的基于电介质超表面的相位型像全息设计与制备方法，其特征在于，所述电介质纳米砖优化后的结构尺寸为：长度L＝225nm，宽度W＝110nm，高度H＝230nm，周期C＝340nm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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