CN112882139B - 实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳光学技术领域，公开了实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法。超表面由若干个纳米砖结构单元构成，纳米砖结构单元包括基底和纳米砖；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色；每个纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布；以非偏振白光入射至超表面，反射光在超表面所在平面上显示近场结构色显示图像；以圆偏振光入射至超表面，透射光在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像。本发明能够通过一片超表面实现近场结构色显示和远场全息复用。

Description

实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法。
背景技术
自然界中物体呈现的颜色主要有两种：色素色和结构色。色素色是单一物质对光的吸收或反射后直观呈现出的颜色，而结构色则是一种大量有序结构对不同波长的光散射、衍射或干涉后产生的各种颜色。结构色，又称物理色，是一种由光的波长引发的色泽，由于细微结构使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。结构色是一种无需色素的色彩表达方式，具有饱和度高、永不退色、颜色可控等特性，在军事伪装、军事隐身等方面具有广阔应用前景。
超表面材料能够在亚波长尺度对光波电磁场的振幅、相位和偏振态等进行灵活有效的精确调控，具有尺寸小、重量轻、加工方便等优势，已被广泛应用于光学的各个领域。通过改变组成超表面材料的单元结构的尺寸参数，能够使其具备不同的光谱响应，从而实现彩色显示。目前已有大量研究利用超表面分别实现结构色图像显示和全息图像显示。但是通过一片超表面实现一幅近场结构色图像显示与一幅远场全息图像显示复用的超表面还少有研究。通过超表面实现近场结构色显示与远场全息复用，在信息密度的提高、信息加密等领域具有重要的应用前景。
发明内容
本发明通过提供实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法，解决现有技术中超表面难以实现不同种类功能集成、多通道工作串扰大、设计过程复杂、加工误差容忍度低的问题。
本发明提供实现近场结构色显示与全息复用的超表面，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；
以平行于所述基底的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，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；
不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色；
每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布；
以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在所述超表面所在平面上显示近场结构色显示图像；以圆偏振光入射至所述超表面，透射光在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像。
优选的，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。
另一方面，本发明提供上述实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法，包括以下步骤：
优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计近场结构色显示图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计远场全息图像，根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。
优选的，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标。
优选的，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数。
优选的，所述根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标的具体实现方式为：
设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为
Figure BDA0002919378410000021
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure BDA0002919378410000022
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure BDA0002919378410000031
其中，k为归一化系数，将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，得到：
Figure BDA0002919378410000032
基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：
Figure BDA0002919378410000033
其中，x、y、z为色品坐标值。
优选的，所述根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布的具体实现方式为：
基于多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下呈现的结构色，在所述超表面的不同位置处分别选择与所述近场结构色显示图像的设计颜色最接近的一个组类的纳米砖结构单元进行排布，确定所述超表面的所有纳米砖的长轴和短轴的尺寸参数。
优选的，所述根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布的具体实现方式为：
根据多个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数和纳米砖对圆偏振光的复振幅调制作用，利用改进的G-S算法设计每个纳米砖的转向角。
优选的，以圆偏振光入射至各向异性结构时，出射光由第一光波和第二光波组成，所述第一光波为与入射光偏振旋向相同的光波，所述第二光波为与入射光偏振旋向相反的光波；入射的圆偏振光的琼斯矢量为
Figure BDA0002919378410000041
时，出射光的琼斯矢量为：
Figure BDA0002919378410000042
其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数，α为各向异性结构的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光；
对于各向异性纳米砖结构，入射光为圆偏振光时，出射的交叉偏振的圆偏振光的复振幅调制为：
Figure BDA0002919378410000043
通过改变纳米砖的转向角α对交叉偏振的圆偏振光的复振幅进行调制，实现远场全息。
优选的，交叉偏振的圆偏振光的相位调制包括：传输相位
Figure BDA0002919378410000044
几何相位2σα。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计近场结构色显示图像，将每个纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计远场全息图像，根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。本发明能够通过一片超表面实现近场结构色显示和远场全息复用，提供的超表面设计过程简单，结构色显示图像质量高，全息图像可以任意设计，全息图像重建质量高，信息存储密度高，无串扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法的流程图；
图2是本发明实施例中近场结构色显示与远场全息复用示意图；
图3是本发明实施例中纳米砖结构单元的结构示意图；
图4是本发明实施例中超表面的结构示意图；
图5是本发明实施例中优化设计的纳米砖结构单元反射光谱仿真结果；
图6是本发明实施例中优化设计的纳米砖结构单元反射颜色色品坐标示意图；
图7是本发明实施例中近场结构色显示图像；
图8是本发明实施例中远场全息图像；
图9是本发明实施例中设计的超表面相位分布图；
图10是本发明实施例中设计的几何相位分布图；
图11是本发明实施例中超表面纳米砖单元结构转向角分布图。
其中，1-非偏振白光、2-超表面、3-圆偏振光、4-近场结构色显示图像、5-远场全息图像、6-基底、7-纳米砖。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种实现近场结构色显示与全息复用的超表面，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖。
以平行于所述基底的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，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。
不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色。
每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布。
以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在所述超表面所在平面上显示近场结构色显示图像；以圆偏振光入射至所述超表面，透射光在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像。
例如，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。
实施例2：
实施例2提供如实施例1所述的实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法，主要包括以下步骤：
优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计近场结构色显示图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计远场全息图像，根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。
其中，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标。
设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为
Figure BDA0002919378410000061
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure BDA0002919378410000062
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure BDA0002919378410000063
其中，k为归一化系数，将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，得到：
Figure BDA0002919378410000064
基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：
Figure BDA0002919378410000071
其中，x、y、z为色品坐标值。
其中，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数。
其中，根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布的具体实现方式为：基于多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下呈现的结构色，在所述超表面的不同位置处分别选择与所述近场结构色显示图像的设计颜色最接近的一个组类的纳米砖结构单元进行排布，确定所述超表面的所有纳米砖的长轴和短轴的尺寸参数。
其中，根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布的具体实现方式为：根据多个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数和纳米砖对圆偏振光的复振幅调制作用，利用改进的G-S算法设计每个纳米砖的转向角。
以圆偏振光入射至各向异性结构时，出射光由第一光波和第二光波组成，所述第一光波为与入射光偏振旋向相同的光波，所述第二光波为与入射光偏振旋向相反的光波；入射的圆偏振光的琼斯矢量为
Figure BDA0002919378410000072
时，出射光的琼斯矢量为：
Figure BDA0002919378410000073
其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数，α为各向异性结构的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光；
对于各向异性纳米砖结构，入射光为圆偏振光时，出射的交叉偏振的圆偏振光的复振幅调制为：
Figure BDA0002919378410000081
通过改变纳米砖的转向角α对交叉偏振的圆偏振光的复振幅进行调制，实现远场全息。
交叉偏振的圆偏振光的相位调制包括：传输相位
Figure BDA0002919378410000082
几何相位2σα。
下面对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明提供的超表面的设计方法包括：读入近场结构色显示目标图像和远场全息目标图像，仿真不同尺寸纳米砖的反射光谱和长短轴透射系数，根据近场彩色图像选择不同位置处的纳米砖尺寸(L、W)，计算交叉偏振圆偏振光振幅
Figure BDA0002919378410000083
根据远场全息图像和振幅调制利用改进的G-S算法设计超表面复振幅
Figure BDA0002919378410000084
由相位分别确定各位置处纳米砖转向角，输出纳米砖排布方式，得到超表面。
参见图2，获得所需的超表面2后，以非偏振白光1入射所述超表面2，经过所述超表面2后，反射光在所述超表面2上形成一幅彩色图像，即近场结构色显示图像4；用波长λ的圆偏振光3入射至所述超表面2，在夫琅禾费衍射区显示全息图像，即远场全息图像5。
本发明提供的超表面，即构建的纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，参见图4。纳米砖结构单元如图3所示，包括基底6和设置在所述基底6的工作面上的纳米砖7。所述纳米砖7具有长轴L和短轴W，所述纳米砖的转向角α为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角。设计基座的工作面的边长C＝400nm，固定纳米砖高度H＝230nm，扫描纳米砖的长轴L和短轴W，仿真得到各尺寸参数的纳米砖结构单元的反射光谱如图5所示。
设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为
Figure BDA0002919378410000085
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure BDA0002919378410000086
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure BDA0002919378410000091
其中，常数k为归一化系数，对自发光物体是将光源的Y值调整到100，对于非自发光物体通常是将所选标准照明体的Y值调整到100，即将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，即有：
Figure BDA0002919378410000092
计算出物体颜色的三刺激值后，可计算出物体的色品坐标：
Figure BDA0002919378410000093
根据各尺寸参数的纳米砖结构单元的反射光谱，计算的得到在标准光源D65照射时的各种纳米砖结构单元的颜色，其色品坐标如图6所示。
进一步地，所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述工作面边长C的尺寸，且长轴L与短轴W不相等。当所述纳米砖的长轴L与短轴W不相等时，其沿长轴方向和短轴方向的等效折射率不同，纳米砖呈现各向异性。以圆偏振光波入射至各向异性结构时，出射光波由两部分组成：一部分是与入射光波偏振旋向相同的光波，另一部分是与入射光波偏振旋向相反的光波。入射圆偏振光的琼斯矢量为
Figure BDA0002919378410000094
时，出射光波的琼斯矢量为：
Figure BDA0002919378410000095
其中，A和B分别是沿纳米砖长轴和短轴的复透射系数，α为各向异性纳米砖的转向角，σ＝1和火＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。
对于各向异性纳米砖结构，入射圆偏振光波时，出射的交叉偏振圆偏振光的复振幅调制为：
Figure BDA0002919378410000101
由式(5)可以看出，对于长轴和短轴的复透射系数分别为A和B的纳米砖，可以通过改变其朝向角α来实现对交叉偏振圆偏振光的复振幅调制，从而实现远场全息。
选择如图7所示的彩色图像作为近场结构色显示目标图像，根据图7中各像素的颜色以及图6中各种尺寸参数的纳米砖的颜色，来确定超表面上各位置处纳米砖结构单元的长轴L和短轴W。
选择如图8所示的灰度图像作为全息目标图像，在各位置处纳米砖结构单元的振幅调制为
Figure BDA0002919378410000102
通过改进的G-S算法(即采用非均一振幅替换进行迭代)优化设计得到的相位分布P＝arg(Ecross)如图9所示。由式(5)可知，需要附加的几何相位为：
Figure BDA0002919378410000103
最终确定的纳米砖的几何相位和转向角分布分别如图10和图11所示。
综上，本发明提供的超表面能够实现近场结构色显示和远场全息复用的功能，设计过程简单，不同信息通道无串扰，彩色纳米印刷分辨率高，信息存储安全性高。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法，其特征在于，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；以平行于所述基底的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，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在所述超表面所在平面上显示近场结构色显示图像；以圆偏振光入射至所述超表面，透射光在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像；
设计方法包括以下步骤：
优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计近场结构色显示图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计远场全息图像，根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面；
其中，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数；
所述根据近场结构色显示图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布的具体实现方式为：基于多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下呈现的结构色，在所述超表面的不同位置处分别选择与所述近场结构色显示图像的设计颜色最接近的一个组类的纳米砖结构单元进行排布，确定所述超表面的所有纳米砖的长轴和短轴的尺寸参数；
所述根据远场全息图像对应计算的复振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布的具体实现方式为：根据多个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数和纳米砖对圆偏振光的复振幅调制作用，利用改进的G-S算法设计每个纳米砖的转向角；
以圆偏振光入射至各向异性结构时，出射光由第一光波和第二光波组成，所述第一光波为与入射光偏振旋向相同的光波，所述第二光波为与入射光偏振旋向相反的光波；入射的圆偏振光的琼斯矢量为
Figure FDA0003324955240000021
时，出射光的琼斯矢量为：
Figure FDA0003324955240000022
其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数，α为各向异性结构的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光；
对于各向异性纳米砖结构，入射光为圆偏振光时，出射的交叉偏振的圆偏振光的复振幅调制为：
Figure FDA0003324955240000023
通过改变纳米砖的转向角α对交叉偏振的圆偏振光的复振幅进行调制，实现远场全息。
2.根据权利要求1所述的实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法，其特征在于，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标。
3.根据权利要求2所述的实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法，其特征在于，所述根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标的具体实现方式为：
设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为
Figure FDA0003324955240000024
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure FDA0003324955240000025
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure FDA0003324955240000026
其中，k为归一化系数，将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，得到：
Figure FDA0003324955240000031
基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：
Figure FDA0003324955240000032
其中，x、y、z为色品坐标值。
4.根据权利要求1所述的实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法，其特征在于，交叉偏振的圆偏振光的相位调制包括：传输相位
Figure FDA0003324955240000033
几何相位2σα。
5.实现近场结构色显示与全息复用的超表面，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一项所述的实现近场结构色显示与全息复用的超表面的设计方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的实现近场结构色显示与全息复用的超表面，其特征在于，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。
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