CN113238302A - 基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，属于微纳光学、光学计量、全息成像、全息光镊应用技术领域。本发明所涉及的超颖表面由具有不同尺寸矩形横截面和方位角的介质纳米柱阵列构成，能够实现对光场振幅、相位和偏振的灵活调制；根据矢量全息编码流程，可以同时实现任意且多样的矢量全息光场的再现，并根据对入射/出射偏振态的选择，实现动态波前调控。本发明所提出的方法产生的偏振态数目不受限制，极大扩展了超颖表面的信息容量，并具有精确、超薄紧凑、亚波长像素的特点，可应用于动态显示、光学加密与防伪、全固态扫描、全息光镊等应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，尤其涉及基于矢量全息技术实现透射型介质超颖表面在光波段动态可调的方法，属于微纳光学领域。
背景技术
超颖表面是一种由亚波长谐振器组成的人造二维材料，通过精巧设计谐振器的几何尺寸、材料和排列方式，可以获取自然界不具备的奇异电磁特性，从而对电磁波的振幅、相位、波长、偏振等物理量进行灵活调控。得益于超薄紧凑、大信息容量、丰富灵活的调制特性，超颖表面得到了国内外研究人员的广泛关注。目前，基于静态超颖表面已实现大量应用案例，例如微透镜、分束器、波片等。但由于固定的微纳结构和亚波长的谐振器尺寸，在光学波段实现动态可调的超颖表面面临巨大挑战。目前，在光学波段实现动态可调超颖表面的方案多与有源元件集成，例如相变材料、液晶材料、纳机电结构、化学微纳结构等，这些方案对微纳制造工艺要求极高，在一些应用场合下，需要逐像素地施加有源激励，光学操纵难度较大且复杂。
偏振作为电磁波固有属性，蕴含了丰富的光学矢量信息，对于药物成分分析、生物显微等计量应用，立体电影、液晶显示屏等光学显示应用意义重大。偏振状态多样，通过不同的偏振通道可以分别编码、传输、解码光学信息。近年来，研究人员围绕偏振可调的超颖表面提出了以下方法：(1)线偏振入射下，基于超颖原子的几何相位实现振幅均一、偏振编码的灰阶图像；(2)基于具有双折射性质、旋转角变化的超颖原子实现三个偏振通道独立的全息图；(3)基于宏像素编码的超颖表面实现矢量全息。方法(1)所生成的灰阶图像与空间位置没有关联，极大限制了应用范围。方法(2)通过三个独立偏振通道及其组合实现了七种全息显示，但无法有效地同时构建多种独立的矢量信息。方法(3)采用多个超颖原子组成宏像素单元，从而实现对超颖表面振幅、相位、偏振的独立调控，由于宏像素大于光波长，此方法引入了多余的衍射级次，且该方法多工作在倾斜入射的条件下，为后续与光电系统集成增加负担。
发明内容
针对当前动态可调超颖表面方案需要与有源材料集成，对微纳加工和测试要求极为严苛，以及偏振调制的超颖表面信息容量、可调范围受限等技术问题，本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法旨在：提供一种可以同时产生多种矢量全息光场的技术，通过对输出偏振态进行选择，实现对全息光场的选择性输出，相比于之前的方案，极大提升矢量全息图的数目和再现精度，拓宽可应用范围。所生成矢量光场具有任意偏振态和可调复振幅，可用于功能丰富的动态波前整形，或通过衍射理论构建特定空间位置的光场，且偏振态数目不受限。并且，得益于透射型介质超颖表面调制效率高、轻薄紧凑的特点，以及偏振的广泛应用价值，该方法可应用于固态扫描装置、近眼显示、动态粒子捕获等领域。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法。首先，为精确构造矢量全息光场，所使用的超颖表面需要同时具备振幅、相位和偏振编码能力。设计介质纳米柱单元的几何尺寸和旋转角度，使纳米柱在特定波长下具有振幅、相位、偏振调制效果。设计全息编码算法，根据目标矢量全息光场和纳米柱调制特性，计算调制平面各调制单元的振幅、相位和偏振分布，根据这一结果确定每个调制单元对应的纳米柱单元结构，排列纳米柱阵列，生成介质超颖表面的加工文件。根据加工文件，采用以电子束刻蚀为主的微纳加工工艺生成透射型介质超颖表面。改变入射与出射的偏振组合，可以得到动态变化的矢量全息光场。
本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，包含如下步骤：
步骤一：为了实现基于偏振可调的动态超颖表面，首先需要使超颖表面具备振幅、相位和偏振的灵活调制能力，以编码多偏振态的全息光场信息。通过使用5种不同几何尺寸、不同方位角的纳米柱结构，实现了对光场振幅、相位和偏振的灵活调制。
实现纳米柱单元振幅、相位与偏振调制的具体实现方法如下：
用于产生动态矢量光场的超颖表面由5种不同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计介质纳米柱单元的几何尺寸，使纳米柱在特定波长下具有振幅调制效果。通过改变纳米柱单元的方位角，实现trl和tlr偏振通道的相位调制。介质纳米柱的几何尺寸为横截面的长度L和宽度W，高度H，纳米柱单元的周期P。介质纳米柱的振幅调制特性基于纳米柱与光场的相互作用，在圆偏振光的作用下，相同手性通道的透射率分布与相反手性通道的透射率分布不相同。固定纳米柱单元的高度H和周期P，选定工作波长与材料，通过调节纳米柱单元的长度L和宽度W，在工作波长处可以有效调制不同偏振通道的透射率，实现振幅调制。进一步，通过旋转纳米柱结构，引入几何相位，可以在正交偏振通道trl,tlr获取另一调控自由度。由于纳米柱结构的对称性，该超颖表面的透射矩阵如公式(1)所示。
其中tij(i,j＝{|r>,|l>})表示|j>偏振态入射、出射场在|i>偏振态的透射率，t0表示纳米柱结构的振幅响应；θ0表示动态相位；θp表示几何相位，数值是纳米柱结构旋转角的2倍；δrr和δll表示分布在trr和tll偏振通道的背景透射率。选择不同几何尺寸的纳米柱结构，实现t0从0到1的分阶调制；通过在-180°至180°范围旋转纳米柱结构，可以实现trl和tlr偏振通道0～2π的相位调制。通过使用正交的入射/出射偏振通道，可以消除trr和tll通道的影响，有效利用trl和tlr偏振通道的复振幅，以合成透射光场。当入射光场为
时，透射光场为
其中
和
分别表示入射光场在|r>和|l>偏振态的复振幅。出射光场偏振态由纳米柱结构的光学响应和入射偏振态共同决定。通过衍射理论，对trl和tlr偏振通道的复振幅进行编码，可以实现任意空间位置、任意矢量光场的再现。
步骤一所述的仿真软件可采用基于严格耦合波分析方法的RCWA，基于时域有限元差分方法FDTD和COMSOL。
步骤二：基于矢量全息算法，根据目标矢量全息光场分布，推导作为调制器件的超颖表面的振幅、相位和偏振分布，根据这一结果排列纳米柱单元阵列，生成透射式超颖表面的加工文件。
用于生成超颖表面加工文件的矢量全息算法的具体实现方法如下：
对于分布在任意空间位置(x,y,z)的矢量光场A(x,y,z)＝A(x,y,z)|eout>，其中A(x,y,z)表示光场复振幅，
表示目标偏振态，
和
分别表示目标矢量光场分布在|r>和|l>偏振态的复振幅。根据如公式(2)所示的衍射理论，可以计算位于
处的衍射光场复振幅分布
其中λ表示工作波长，
表示傅里叶变换。为实现在特定偏振入射
的作用下，出射矢量光场为
其中
和
分别表示出射光场在|r>和|l>偏振态的复振幅，需要使
处纳米柱结构的透射率满足
其中
表示
的共轭，a和b表示常系数，根据公式(1)所示的透射矩阵，可知
在此基础上，透射矢量光场为
使系数
则透射矢量光场第一项可改写为
经过衍射，构造的矢量光场为
其中|e'>为A(x,y,z)共轭像的偏振态，
设计目标矢量光场A(x,y,z)，使A(x,y,z)和A*(x,y,z)在空间位置上互相独立，便可以实现任意矢量全息光场的构造。所构造矢量全息光场的偏振态受入射偏振态调制，并且覆盖全偏振空间。在此基础上，可设计与入射光场相关联的多种矢量全息图，以实现在特定入射/出射偏振组合的作用下，全息信息的加载和读出。对于多个工作在
入射条件下的矢量光场目标
其中
所设计的位于
处的全息图信息应为
其中
此时，经过超颖表面的透射光场
衍射后可重构
的多种矢量光场。通过在出射光场增加与入射光场正交的检偏器，可以有效消除trr和tll偏振通道的背景光，此时，与检偏器偏振态最接近的矢量图案获取最大强度。
步骤三：根据步骤二所得的加工文件，使用以电子束刻蚀为主的微纳加工工艺，制备介质超颖表面。
使用特定偏振光入射超颖表面，在透射端进行检偏，同时改变入射/出射偏振态，并保持两者始终正交，可以依次点亮不同的矢量光场图案。该方法可以用于生成任意的矢量波前，将超颖表面的偏振调制能力拓展至全偏振空间，并能够同时生成多种矢量光场，通过检偏装置实现了各通道信息的逐一选择。
有益效果
1.本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，通过具有不同横截面积和旋转角的纳米柱结构实现了对光场振幅、相位和偏振的灵活调制。
2.本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，通过矢量全息算法，实现了对多种任意矢量光场的同时再现，并且通过特定的正交入射/出射偏振组合，实现了对多种矢量光场的逐一选择，通过拓展超颖表面的信息容量，实现了基于偏振调制的动态可调超颖表面。
3.本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，相比于其他偏振调控的方案，例如基于宏像素的方案、基于优化算法的方案，具有亚波长像素、使用解析解的特点，可以精准再现矢量光场，同时容纳更多矢量信息，原理上，偏振态数目不受限制。
4.本发明公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，可以灵活调制多种矢量波前，从而应用于固态扫描装置、近眼与动态显示、动态粒子捕获、光纤通信、光学防伪与加密等应用场合。
附图说明
图1是本发明的一种基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法流程图；
图2是本发明公开的矢量全息编码流程图；
图3是实施例使用的实验光路图；
其中P1和P2表示线偏振片，HWP表示1/2波片，L1和L2表示会聚透镜，OBJ表示显微物镜。
图4是实施例实验结果图；
其中(a-c,g-i)分别表示45°、60°、75°、90°、105°、120°线偏振角入射，正交偏振检测的仿真结果图，(d-f,j-l)表示上述对应的实验结果图，(m,n)分别表示75°和50°线偏振角入射下，心型点阵和四角星点阵的偏振态分布，(o,p)分别表示上述线偏振态入射、正交偏振检测的强度分布。
图5是该方案的宽带效应。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。
实施例：基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法
如图1所示，本案例基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，具体实现方法如下：
步骤一：为了实现基于偏振可调的动态超颖表面，首先需要使超颖表面具备振幅、相位和偏振的灵活调制能力，以编码多种偏振态的全息光场信息。该超颖表面由5种不同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计介质纳米柱单元的几何尺寸，使纳米柱在特定波长下具有振幅调制效果。通过改变纳米柱单元的方位角，实现trl和tlr偏振通道的相位调制。实现纳米柱单元振幅、相位与偏振调制的具体实现方法如下：
固定纳米柱单元的高度H为400nm，周期P为600nm，选定工作波长为785nm，材料为非晶硅，仿真所用材料折射率为n＝3.8502+0.0109i，基于严格耦合波分析方法(RCWA)，扫描不同长度L和宽度W的组合下，各偏振通道的透射率，对于trl和tlr偏振通道，根据扫描结果选择5阶振幅响应、相同动态相位θ0响应的纳米柱结构。使之具备振幅调制能力。所确定结构具体尺寸如表一所示：
根据目标光场所需的相位调制，旋转纳米柱结构，实现相位调制。
步骤二：以具有不同线偏振态、分布在空间不同位置的点源为目标光场，根据矢量全息算法规则计算trl和tlr偏振通道对应的全息调制图，进一步根据调制图结果排列纳米柱阵列，生成超颖表面加工文件。
以线偏振矢量光场为例加以说明：目标光场包括两组动态图案，第一组为具有36个不同偏振态的心型点源图案，随着入射线偏振角的增大，顺时针逐次点亮各个点源；第二组为具有5个偏振态的四角星图案，随着入射线偏振角的增大，从中心向外部逐渐点亮各个点源。点源关联的调制相位θs均匀分布在0°到180°之间。对于多个矢量光场目标
其中各光场偏振态为
在α线偏振角的入射光场作用下，位于
处的全息图信息应为
其中us包含了第s个点源的全息信息，
根据全息图信息，编码纳米柱阵列，并生成超颖表面加工文件。
步骤三：根据步骤二所得到的加工文件，使用电子束刻蚀为主的微纳加工方法，制备介质超颖表面。使用线偏振光入射超颖表面，并对透射光场进行正交偏振调制，在Ein＝1/2(eiα|r>+e-iα|l>)的入射下，透射光场为
经过衍射后可重构
的多种矢量光场。通过在出射光场增加与入射光场正交的检偏器，可以有效消除trr和tll偏振通道的背景光，此时，各矢量光场强度如公式(3)所示。
通过改变入射线偏振角α，具有最大强度的矢量光场信息Is发生改变，由此，可以依次点亮各矢量信息Is。
图3是实施例实验中所使用的动态调制实验光路图。激光经过偏振片和1/2波片，生成线偏振光，入射透射型超颖表面，出射光场经过与入射光场正交的检偏器后，被收集至红外CCD中。通过旋转1/2波片和偏振片P2，改变入射/出射偏振态，可以动态调节成像效果，实验结果如图4所示。可以看出，实验结果与仿真结果十分吻合，随着入射/出射偏振组合的变化，所设计的两组图案动态变化。再次基础上，以75°和50°线偏振态入射为例，说明基于马吕斯定律对各矢量光场的调制效果。75°线偏振态入射超颖表面时，所生成的矢量全息光场偏振态分布如图4(m)所示，与入射光场正交的偏振态位于心型点阵的左上角，在正交偏振调制下获得最大强度，图4(o)为实验结果，与设计吻合；50°线偏振态下四角星点阵的调制也与结果一致。综上所述，该方法相比于之前的方法，体大提升了矢量光场的信息容量，并具有极高精确性。
综上所述，本实施例公开的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，能够有效生成丰富多样的矢量全息光场，并基于偏振调制，精准、动态调控超颖表面的出射光场。该方案仅需标准的微纳加工工艺，具有亚波长像素，超薄紧凑，同时调制光场振幅、相位、偏振的特点，可用于动态波前整形、偏振加密与防伪、超分辨率聚焦、动态粒子捕获、全固态扫描装置等应用。除此之外，得益于非晶硅材料在近红外波段的优良光学性质，该样品具有宽带效应(如图5所示)，可以覆盖一定近红外带宽。并且，此设计思想适用于其他波段与材料，可应用于更多领域。
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 (5)
1.基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：为了实现基于偏振可调的动态超颖表面，首先需要使超颖表面具备振幅、相位和偏振的灵活调制能力，以编码多偏振态的全息光场信息；通过使用5种不同几何尺寸、不同方位角的纳米柱结构，实现了对光场振幅、相位和偏振的灵活调制；
步骤二：基于矢量全息算法，根据目标矢量全息光场分布，推导作为调制器件的超颖表面的振幅、相位和偏振分布，根据这一结果排列纳米柱单元阵列，生成透射式超颖表面的加工文件；
步骤三：根据步骤二所得的加工文件，使用以电子束刻蚀为主的微纳加工工艺，制备介质超颖表面。
2.根据权利要求1所述的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，
用于调制光场振幅、相位和偏振的超颖表面由不同几何尺寸和不同方位角的纳米柱结构组成；固定纳米柱单元的高度H和周期P，选定工作波长与材料，通过调节纳米柱单元的长度L和宽度W，在工作波长处可以有效调制不同偏振通道的透射率，实现振幅调制；进一步，通过旋转纳米柱结构，引入几何相位，可以在正交偏振通道trl,tlr获取另一调控自由度；由于纳米柱结构的对称性，该超颖表面的透射矩阵如公式(1)所示；
其中tij(i,j＝{|r>,|l>})表示|j>偏振态入射、出射场在|i>偏振态的透射率，t0表示纳米柱结构的振幅响应；θ0表示动态相位；θp表示几何相位，数值是纳米柱结构旋转角的2倍；δrr和δll表示分布在trr和tll偏振通道的背景透射率；选择不同几何尺寸的纳米柱结构，实现t0从0到1的分阶调制；通过在-180°至180°范围旋转纳米柱结构，实现trl和tlr偏振通道0～2π的相位调制；通过使用正交的入射/出射偏振通道，可以消除trr和tll通道的影响，有效利用trl和tlr偏振通道的复振幅，以合成透射光场；当入射光场为
时，透射光场为
其中
和
分别表示入射光场在|r>和|l>偏振态的复振幅；出射光场偏振态由纳米柱结构的光学响应和入射偏振态共同决定；通过衍射理论，对trl和tlr偏振通道的复振幅进行编码，可以实现任意空间位置、任意矢量光场的再现。
3.如权利要求1或2所述的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，其特征在于：步骤一所述的仿真软件可采用基于严格耦合波分析方法的RCWA，基于时域有限元差分方法FDTD和COMSOL。
4.如权利要求1所述的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，
对于想要构造的、在特定入射偏振态下、位于任意空间位置(x,y,z)的矢量光场A(x,y,z)＝A(x,y,z)|eout>，其中A(x,y,z)表示光场复振幅，
表示目标偏振态，
和
分别表示目标矢量光场分布在|r>和|l>偏振态的复振幅，根据如公式(2)所示的衍射理论，可以计算位于
处的衍射光场复振幅分布
其中λ表示工作波长，
表示傅里叶变换；为实现在特定偏振入射
的作用下，出射矢量光场为
其中
和
分别表示出射光场在|r>和|l>偏振态的复振幅，需要使
处纳米柱结构的透射率满足
其中
表示
的共轭，a和b表示常系数，根据公式(1)所示的透射矩阵，可知
在此基础上，透射矢量光场为
使系数
则透射矢量光场第一项可改写为
经过衍射，构造的矢量光场为
其中|e'>为A(x,y,z)共轭像的偏振态，
设计目标矢量光场A(x,y,z)，使A(x,y,z)和A*(x,y,z)在空间位置上互相独立，便可以实现任意矢量全息光场的构造；所构造矢量全息光场的偏振态受入射偏振态调制，并且覆盖全偏振空间；在此基础上，可设计与入射光场相关联的多种矢量全息图，以实现在特定入射/出射偏振组合的作用下，全息信息的加载和读出；对于多个工作在
入射条件下的矢量光场目标
其中
所设计的位于
处的全息图信息应为
其中
此时，透射光场
衍射后可重构
的多种矢量光场；通过在出射光场增加与入射光场正交的检偏器，可以有效消除trr和tll偏振通道的背景光，此时，与检偏器偏振态最接近的矢量图案获取最大强度。
5.如权利要求1所述的基于矢量全息技术实现动态可调超颖表面的方法，其特征在于：使用特定偏振光入射超颖表面，在透射端进行检偏，同时改变入射/出射偏振态，并保持两者始终正交，可以依次点亮不同的矢量光场图案；该方法可以用于生成任意的矢量波前，将超颖表面的偏振调制能力拓展至全偏振空间，并能够同时生成多种矢量光场，通过检偏装置实现了各通道信息的逐一选择。
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