CN112882140B - 实现彩色纳米印刷和全息的双功能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，公开了实现彩色纳米印刷和全息的双功能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，根据彩色纳米印刷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全息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彩色印刷图像；以线偏振光入射至超表面，出射光经过检偏器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彩色纳米印刷和远场全息复用。

Description

实现彩色纳米印刷和全息的双功能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，涉及一种实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法。
背景技术
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，从而实现彩色纳米印刷。通过超表面的振幅调制和相位调制功能，超表面计算全息术已有极大的发展。
目前已有大量研究利用超表面分别实现纳米印刷显示和全息图像显示。但是通过一片超表面实现纳米印刷和全息复用技术还研究较少。通过超表面实现彩色纳米印刷与全息复用，在提高信息密度、集成多功能器件、实现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彩色纳米印刷和全息的双功能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。
本发明提供实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面，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，根据彩色纳米印刷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全息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彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为
Figure BDA0002919378640000021
的检偏器，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，本发明提供上述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，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；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷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全息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，所述根据反射光谱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 BDA0002919378640000022
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure BDA0002919378640000023
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure BDA0002919378640000024
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 BDA0002919378640000031
基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：
Figure BDA0002919378640000032
其中，x、y、z为色品坐标值。
优选的，所述根据彩色纳米印刷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彩色纳米印刷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全息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线偏振光的调制作用，利用模拟退火算法设计每个纳米砖的转向角。
优选的，以偏振角度为α1的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为α2检偏器，出射光的琼斯矢量为：
Figure BDA0002919378640000033
其中，T(θ)为转向角为θ的各向异性结构的琼斯矩阵；
所述纳米砖为各向异性结构，偏振角度为α1＝0的线偏振光经过转向角为θ的纳米砖和透光轴方向为
Figure BDA0002919378640000041
的检偏器后，出射光的琼斯矢量为
Figure BDA0002919378640000042
即出射光的复振幅调制为
Figure BDA0002919378640000043
通过改变纳米砖的转向角实现远场全息；其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数。
优选的，所述纳米砖的转向角θ对应的sin 2θ在[-1，1]范围内连续取值，θ的取值范围为
Figure BDA0002919378640000044
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；设计彩色纳米印刷图像，将每个纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷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全息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纳米印刷和全息复用，提供的超表面设计过程简单，图像质量高，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彩色纳米印刷和全息的双功能超表面设计方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面中纳米砖结构单元的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面中超表面阵列的结构示意图；
图4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5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6是本发明实施例中彩色纳米印刷图像；
图7是本发明实施例中远场全息图像归一化强度；
图8是本发明实施例中设计的超表面对应的sin 2θ分布；
图9是本发明实施例中设计的超表纳米砖单元结构转向角θ分布；
图10是本发明实施例中设计的超表面的远场全息仿真结果。
其中，1-基底、2-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提供一种实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面，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，根据彩色纳米印刷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全息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彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为
Figure BDA0002919378640000051
的检偏器，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所述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，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；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷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全息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。
所述根据反射光谱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 BDA0002919378640000061
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure BDA0002919378640000062
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure BDA0002919378640000063
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 BDA0002919378640000064
基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：
Figure BDA0002919378640000071
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，所述根据彩色纳米印刷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彩色纳米印刷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，所述根据远场全息图像对应计算的全息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线偏振光的调制作用，利用模拟退火算法设计每个纳米砖的转向角。
以偏振角度为α1的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为α2检偏器，出射光的琼斯矢量为：
Figure BDA0002919378640000072
其中，T(θ)为转向角为θ的各向异性结构的琼斯矩阵；
所述纳米砖为各向异性结构，偏振角度为α1＝0的线偏振光经过转向角为θ的纳米砖和透光轴方向为
Figure BDA0002919378640000073
的检偏器后，出射光的琼斯矢量为
Figure BDA0002919378640000081
即出射光的复振幅调制为
Figure BDA0002919378640000082
通过改变纳米砖的转向角实现远场全息；其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数。所述纳米砖的转向角θ对应的sin 2θ在[-1，1]范围内连续取值，θ的取值范围为
Figure BDA0002919378640000083
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：读入彩色纳米印刷图像和远场全息图像，仿真不同尺寸纳米砖的反射光谱和长短轴透射系数，根据彩色纳米印刷图像选择不同位置处的纳米砖尺寸(L、W)，根据远场全息图像和振幅调制利用模拟退火算法涉及超表面复振幅
Figure BDA0002919378640000084
由复振幅分布确定各位置sin 2θ取值，确定各位置处纳米砖转向角θ，输出纳米砖排布方式，得到超表面。
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3。纳米砖结构单元如图2所示，包括基底1和设置在所述基底1的工作面上的纳米砖2。所述纳米砖2具有长轴L和短轴W，所述纳米砖的转向角θ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4所示。
纳米砖结构单元的纳米砖的转向角为θ，优化设计多组具有不同光谱响应的尺寸参数，不同反射光谱响应的纳米砖结构单元在白光入射下能够呈现不同的结构色。设计彩色纳米印刷图像，根据不同光谱响应的纳米砖结构单元的反射颜色，选择与设计颜色最接近的纳米砖结构单元进行排布，确定纳米砖长轴和短轴。设计远场全息图像，根据不同尺寸参数的纳米砖结构单元在设计波长λ下的长短轴的透射系数和各向异性纳米砖对线偏振光的调制作用，利用模拟退火算法设计每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ。将各位置处对应尺寸的纳米砖结构单元中的纳米砖的转向角按照上述步骤确定好的相应的纳米砖的转向角进行排布，从而获得所需的超表面材料。以非偏振白光入射所述超表面材料，经过超表面后，反射光在超表面上形成一幅彩色图像；用波长λ的偏振角度为0的线偏振光入射所述超表面材料，出射光波经过透光轴方向为
Figure BDA0002919378640000091
的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示全息图像。
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 BDA0002919378640000092
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure BDA0002919378640000093
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure BDA0002919378640000094
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 BDA0002919378640000095
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 BDA0002919378640000096
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5所示。
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。
以偏振角度α1的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为α2检偏器，出射光的琼斯矢量为：
Figure BDA0002919378640000101
式(4)中，A和B分别是沿纳米砖长轴和短轴的复透射系数，化简式(4)得：
Figure BDA0002919378640000102
其中：
C＝cosα2(A cos2θ+B sin2θ)+sinα2(A-B)cosθsinθ
D＝cosα2(A-B)cosθsinθ+sinα2(Asin2θ+B cos2θ)
所以，检偏器出射光为强度收到调制的线偏振光，其偏振方向为α2，其复振幅为：
E＝cosα1·C+sinα1·D (6)
当起偏器透光轴方向α1＝0，检偏器透光轴方向
Figure BDA0002919378640000103
时，式(5)简化为：
Figure BDA0002919378640000104
所以出射光的复振幅为：
Figure BDA0002919378640000105
由式(8)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，可以通过改变其转向角θ来实现对线偏振光的复振幅调制，从而实现远场全息。
选择如图6所示的彩色图像作为近场结构色显示目标图像(即彩色纳米印刷图像)，根据图6中各像素的颜色以及图5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。
选择归一化强度如图7所示的灰度图像作为全息目标图像(即远场全息图像)，通过模拟退火算法优化设计超表面对应的sin 2θ分布，sin 2θ可以在[-1，1]范围内连续取值，优化结果如图8所示。计算得到的θ的取值范围为
Figure BDA0002919378640000111
其分布如图9所示。
根据最终确定的纳米砖的长短轴和转向角分布可以确定其尺寸参数。优化设计的超表面对应远场全息仿真强度如图10所示，与图7中设计结果一致。
综上，本发明提供的超表面能够实现彩色纳米印刷和全息双功能，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.实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，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彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为
Figure FDA0003395758410000011
的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像；
所述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，呈现不同的结构色；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷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全息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；
所述根据彩色纳米印刷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彩色纳米印刷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；
所述根据远场全息图像对应计算的全息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线偏振光的调制作用，利用模拟退火算法设计每个纳米砖的转向角。
2.根据权利要求1所述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，其特征在于，所述根据反射光谱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 FDA0003395758410000021
视觉感知的光谱三刺激值为
Figure FDA0003395758410000022
则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：
Figure FDA0003395758410000023
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 FDA0003395758410000024
基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：
Figure FDA0003395758410000025
其中，x、y、z为色品坐标值。
3.根据权利要求1所述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，其特征在于，以偏振角度为α1的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为α2检偏器，出射光的琼斯矢量为：
Figure FDA0003395758410000031
其中，T(θ)为转向角为θ的各向异性结构的琼斯矩阵；
所述纳米砖为各向异性结构，偏振角度为α1＝0的线偏振光经过转向角为θ的纳米砖和透光轴方向为
Figure FDA0003395758410000032
的检偏器后，出射光的琼斯矢量为
Figure FDA0003395758410000033
即出射光的复振幅调制为
Figure FDA0003395758410000034
通过改变纳米砖的转向角实现远场全息；其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数。
4.根据权利要求3所述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，其特征在于，所述纳米砖的转向角θ对应的sin2θ在[-1，1]范围内连续取值，θ的取值范围为
Figure FDA0003395758410000035
5.实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一项所述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面，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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