CN113238470A - 基于超颖表面全息的码分复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超颖表面的码分复用方法，实现多通道光学信息编码，属于微纳光学和全息术应用领域。在超颖表面各向异性单元结构的相位调控基础上，根据本发明的码分复用迭代优化算法，获得超颖表面结构设计原本，进而指导加工。利用本发明的方法可以实现在特定偏振态与参考光照明的情况下，各通道完全独立的图像重建功能，能够有效提高超颖表面全息的信息密度。本方法可以有效提高单一超颖表面的信息密度，可应用于动态全息显示、光学信息存储以及光信息加密等场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种多维度信息复用存储技术，具体涉及一种基于超颖表面全息的码分复用方法，属于微纳光学和全息术应用领域。
背景技术
利用复杂光波与参考光的干涉记录与衍射重建，全息术被广泛应用于信息光学的各个方向中。全息术具有高冗余性与高鲁棒性，是信息记录、存储与传递最具潜力的技术之一。随着微纳加工技术的发展，亚波长特征尺寸光学元器件快速兴起，其特异性能推动了全息术的进一步发展。超颖表面作为新型微纳光学器件的代表，是一种具有人工亚波长单元结构的超薄光学元件。这种人工亚波长单元结构使得超颖表面具有大衍射角、无死区与高级衍射干扰以及调控自由度高等特点。通过其单元结构的优化设计能够对光波的多物理参量(振幅、相位、偏振、频谱、角动量等)进行灵活的调控，研究人员们将其应用于波束整形、数据存储、信息处理、光学显示、光学防伪等方向。
由于人们对信息容量、信息密度的需求不断提高，超颖表面各个调控维度之间的复用方法被不断提出：通过超颖表面对光波多物理参量的调控，在独立和关联参量之上建立多个通道，从而实现记录并重建不同的图像信息。通过偏振之间的正交与关联性，研究人员们提出了偏振复用方法，在左手手性椭圆偏振以及与其正交的右手手性椭圆偏振态上加载两幅完全独立的图像。通过对超颖表面单元结构形貌光谱响应特性的研究，学者们提出了光学结构色，并能够同时调控相位信息，进而实现全息重建。基于不同入射角度下超颖表面单元结构的电磁响应差异，能够实现超颖表面全息的角度复用。根据轨道角动量间的正交特性，研究人员们深入研究了不同轨道角动量编码超颖表面全息的方法，从而实现多通道信息的记录与重建。利用超颖表面线性与非线性光学效应之间的相位调制关系，也可以实现多图像显示。通过研究时空间与动量空间的振幅与相位编码关系，学者们也提出了在不同空间域同时记录和重建图像的方法。然而，这些方法都是基于超颖表面自身单元结构与光学参量之间调控关系进行分析与讨论，进一步开发更多的调控维度，通过引入其它领域中的复用技术，将能进一步增加超颖表面全息的信息密度。
码分复用技术是现代通信领域中最为成功的技术方案之一。利用正交码(如沃尔什码)作为比特表达单元，利用克罗内克积将信号进行编码，把不同信道内的信息叠加后发射传输；在接收端，通过将对应的正交码与接收信息逐段内积的方式重建出对应信道内的信息。但编码与解码的过程都是在计算机中完成，而使用光学方法实现过程繁琐。有效地结合码分复用技术与超颖表面全息，将提升超颖表面全息在信息光学领域中的应用潜力。
发明内容
本发明的目的是为了提高信息容量、信息密度，提供一种基于超颖表面全息的码分复用方法。本发明通过编码的超颖表面全息的各向异性相位调控，实现在不同偏振与编码通道中存储不同光学信息的功能。本发明所提出的方法能够提高超颖表面全息的信息密度，可以应用于动态全息显示、光学信息存储以及光信息加密等场合。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于超颖表面全息的码分复用方法，用于实现码分复用的超颖表面全息单元由具有双折射的人工亚波长结构组成，在水平和垂直线偏振/左旋椭圆偏振和与其正交的右旋圆偏振产生完全独立的相位调控。超颖表面全息的编码利用改进的迭代优化算法计算获得，根据所得的两个偏振通道的相位计算全息图信息，确定超颖表面上每个单元结构的具体几何形貌/尺寸，进而生成相应的微结构加工文件，并交可由各类微纳加工技术加工得到。在特定偏振与编码光束的照明下，所设计的超颖表面全息能够出射重建出对应通道中记录的图像信息。
一种基于超颖表面全息的码分复用方法，包括如下步骤：
步骤一：设计全息图
根据偏振通道数量，将需要被存储至超颖表面全息的目标光学信息分为N 组，每组对应一个偏振通道，每组的通道数量最大值为码分复用技术中所需的复用码数量。根据实际情况确定好重建图像的基本物理参数后，由码分复用原理得到基础公式：
其中tm(x,y)是第m信道在超颖表面所在平面有效区域内的目标复振幅， Cm(x,y)和Cn(x,y)分别是第m和n信道的复用码的复振幅(即结构照明参考光)，F{}表示由Fidoc算法与乒乓算法改进而来的迭代优化算法的编码过程， P{}表示光波的衍射传播过程，a为复常数。满足该公式的复用码均可以被选用。而由编码过程F{}能够得到N组计算全息图的相位分布信息
q＝1～N。
步骤二：设计超颖表面
根据确定的计算全息图针对的波长与像素尺寸，确定可加工的超颖表面单元结构的形貌、材料与高度，利用电磁仿真软件或程序进行参数结构扫描，建立一组由超颖表面单元结构的形貌尺寸与对应的两个正交偏振方向上的复振幅透射系数tpq之间对应关系的查找表。扫描结构时需要确保超颖表面单元结构之间的电磁耦合现象可以被忽略。
步骤三：加工与重建
根据步骤二建立的查找表，基于步骤一得到的位分布信息
选取超颖表面上各个单元结构的尺寸偏差最小，并生成相应的加工文件。然后，利用各种微纳加工方法进行制备。制备好超颖表面后，利用辅助光学系统形成正确偏振态的复用码结构照明，照射到超颖表面全息上，即可实现对应通道光学信息的重建。
通过上述方法设计加工得到的超颖表面全息，对两个正交偏振方向带有复用码信息照明的光波进行调控，能够实现在偏振与码空间的复用的功能。该方法对于入射光的偏振没有严格限制，对于任意正交的两个偏振态均可以实现多通道信息存储的功能。
优选地，所述辅助光学系统中的光源为单波长激光。
有益效果
1、本发明公开的基于超颖表面的码分复用方法，充分利用了超颖表面全息的信息冗余性与多维度光学参量调控特性，通过正确的偏振与正确编码信息，能够解码出相应的图像。可以有效提高单一超颖表面的信息密度，可应用于动态全息显示、光学信息存储以及光信息加密等场合。
2、本发明公开的基于超颖表面的码分复用方法，对于任意正交偏振的入射光都可以实现多通道光学信息存储的功能。
3、本发明公开的基于超颖表面的码分复用方法，根据公式(1)选择的复用码可以是非正交的，该特性能够显著增加光学加密的保密性。
4、本发明公开的基于超颖表面的码分复用方法，选择的亚波长结构形貌、材料均无特定限制，可应用于X光、光学、太赫兹、微波等各个电磁波段。
5、本发明公开的基于超颖表面的码分复用方法，对重建图像的空间位置无特定限制，可以在菲涅耳域或者夫琅和费域。
附图说明
图1是本发明基于超颖表面全息的码分复用方法的实现流程；
图2是本发明实施例中利用介质方柱作为超颖表面单元结构的方法示意图；
图中标记⊙表示遵循Fidoc算法的振幅约束条件，
表示相乘运算，
表示加权叠加；
图3是本发明实施例中计算全息编码过程的算法流程图；
图4是本发明实施列中的介质方柱示意图与不同长和宽介质方柱对应透射系数的参数结构扫描后构建的查找表；其中图a为介质方柱示意图，图b为查找表中复振幅透射系数txx的振幅，图c为查找表中复振幅透射系数tyy的振幅，图d为查找表中复振幅透射系数txx的相位，图e为查找表中复振幅透射系数tyy的相位；
图5是本发明实施例中光学信息重建所用的光路图；
图6是本发明实施例在不同通道中重建的实验结果。
图中标记：1—相干光源、2—扩束用显微物镜、3—针孔、4—扩束用透镜、 5—偏振片(起偏器)、6—半波片、7—数字微镜阵列DMD、8—4f滤波系统组成透镜之一、9—4f滤波系统孔径光阑、10—4f滤波系统组成透镜之二、11—介质超颖表面全息、12—成像用显微物镜、13—成像用透镜、14—偏振片(检偏器)、15—相机CCD。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本实施例为基于超颖表面全息的码分复用方法，选择非晶硅介质纳米方柱为超颖表面单元结构，衬底为熔融石英基底，选取超颖表面单元结构数量为840×840、周期为540nm，使用光源为720nm波长的激光器，选择偏振通道分别为水平偏振与竖直偏振的线偏光，具体实现如下所述：
步骤一：设计全息图
如图2所示选择动态时钟和莫比乌斯环上的小球的两组共32幅图像作为被存储至超颖表面全息的目标光学信息，分别对应两个偏振通道，复用码的数量为16个。选择如图2所示的复用码，其中为了保证公式(1)成立，每个复用码中均有2个亮块是仅由该复用码所独有的，同时与其它复用码共享1至2个亮块。选择图像重建空间位置在夫琅和费域，衍射传播过程为傅里叶变换。
所用迭代优化算法由Fidoc算法与乒乓(Ping-Pong)算法改进而来，流程如图3所示。首先，对每个码分复用通道的目标图像强度开平方，在图像区域最外层进行补零，补零区域作为“不感兴趣区域”，补零后的振幅分布作为初始振幅；初始相位为随机相位；经过逆傅里叶变换后，得到一系列的复振幅分布。此时，每个通道的复振幅与对应的复用码分布相乘后，加权叠加并保留相位分布，是为当前迭代轮次中的计算全息图。全息图与对应通道的复用码分别进行相乘后，进行傅里叶变换，得到的即为当前迭代轮次的重建复振幅信息。通过比对各个通道中的重建强度(振幅平方)与目标图像的差异。若差异小于阈值，满足要求则输出全息图的相位分布；反之，则根据Fidoc算法(公式(2))对每个通道的振幅分别进行限制，相位进行保留，得到各个通道新的复振幅分布，导入下一轮迭代，直至差异满足要求。最终由编码流程可以得到两组计算全息图的相位分布信息
和
其中A表示目标图像振幅，
表示带入第k+1轮计算的振幅，
表示第k轮重建得到的振幅，α和β为可调优化系数。
步骤二：超颖表面
根据确定的计算全息图针对的波长与像素尺寸，确定可加工的超颖表面单元结构的形貌与高度。在此选择非晶硅介质纳米方柱高度为600nm、周期为 540nm，利用严格耦合波分析方法(RCWA)的程序进行参数结构扫描，建立一组由超颖表面单元结构的形貌尺寸即纳米方柱的长L和宽W,与对应的水平和竖直两个偏振方向上的复振幅透射系数txx和tyy之间对应关系的查找表。计算中，非晶硅与熔融石英的折射率分别设置为nSi＝3.802和nglass＝1.46。扫描结构时需要确保超颖表面单元结构之间的电磁耦合现象可以被忽略，因此选择扫描长度与宽度的范围均为90nm至450nm。
步骤三：加工与重建
根据建立的txx和tyy关于超颖表面单元结构的形貌尺寸长L和宽W的查找表，利用公式(3)与
和
择优选取超颖表面上各个单元结构的尺寸，优选时应确保偏ε差尽可能的小。在确定每个非晶硅介质纳米方柱的长和宽后，生成相应的加工文件。
根据加工文件，利用微纳加工的方式进行制备。本实施例中，首先在熔融石英衬底上利用电子束蒸镀生长600nm厚的非晶硅薄膜，并旋涂上电子抗蚀剂。用电子束刻蚀技术将结构图案转移至电子抗蚀剂上。在显影定影完成后，利用反应离子束刻蚀将图案转移至非晶硅膜层上，即完成制备。
制备好超颖表面后，利用辅助光学系统(如图4所示)形成正确偏振态的复用码结构照明。首先利用扩束用显微物镜、针孔和扩束用透镜配合，将相干光源输出的光束进行扩束，通过起偏器对相干光源的偏振态进行控制，并通过旋转半波片的角度调控入射光的偏振态。被扩束并调整偏振态的光束经过数字微镜阵列进行调控产生如图2所示的复用码光学信息分布。之后，经过由两个消像差透镜与孔径光阑构成的4f滤波系统，滤除DMD二维结构产生的高级衍射噪声。之后，带有复用码光学信息的照明光波照射在超颖表面全息上。通过成像用显微镜与成像用透镜配合，将在夫琅和费域重建的图像成像至CCD相机上。中间，利用检偏器滤除光路中引入的杂散光，确保只有设计偏振态的光波被相机记录。实验重建结果如图5所示，每个通道的图像信息均被独立的重建出来，动态时钟和莫比乌斯环上的小球的图像均清晰可见。
通过上述方法设计加工得到的超颖表面全息，对两个正交偏振方向带有复用码信息照明的光波进行调控，能够实现在偏振与码空间的复用的功能。该方法对于入射光的偏振没有严格限制，对于任意正交的两个偏振态均可以实现多通道信息存储的功能。
优选地，所述辅助光学系统中的光源为单波长激光。
本发明公开的基于超颖表面全息的码分复用方法，利用改进的算法将多通道信息同时编码在单一超颖表面全息上，提供了编码空间的全息复用维度。只有在确定的偏振态与确定的复用码照明情况下才能在确定的成像面上观察到清晰的重建图像。且由于可选的复用码可以是非正交的，将有助于提高光学信息的保密性。本发明方法能够有效提高单一超颖表面的信息密度，可应用于动态全息显示、光学信息存储以及光信息加密等场合。
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 (4)
1.一种基于超颖表面全息的码分复用方法，包括步骤：
步骤一、设计全息图
根据偏振通道数量，将需要被存储至超颖表面全息的目标光学信息分为N组，每组对应一个偏振通道，每组的通道数量最大值为码分复用技术中所需的复用码数量；根据实际情况确定好重建图像的基本物理参数后，由码分复用原理得到基础公式：
其中，tm(x,y)是第m信道在超颖表面所在平面有效区域内的目标复振幅，Cm(x,y)和Cn(x,y)分别是第m和n信道的复用码的复振幅，F{}表示由Fidoc算法与乒乓算法改进而来的迭代优化算法的编码过程，P{}表示光波的衍射传播过程，a为复常数；满足式(1)的复用码均可以被选用；而由编码过程F{}能够得到N组计算全息图的相位分布信息
所述基本物理参数包括：全息图的像素数量、像素间隔/周期，使用光源的波长、重建图像所在空间位置；
步骤二：设计超颖表面
根据步骤一确定的全息图针对的波长与像素尺寸，确定可加工的超颖表面单元结构的形状、材料与高度；再对所述形状进行参数结构扫描，建立一组由超颖表面单元结构的形貌尺寸与对应的N个正交偏振方向上的复振幅透射系数tpq之间对应关系的查找表；
步骤三：加工与重建
根据步骤二建立的查找表，基于步骤一得到的位分布信息
选取超颖表面上各个单元结构的尺寸偏差最小，并生成相应的加工文件；然后，利用各种微纳加工方法进行制备；制备好超颖表面后，利用辅助光学系统形成正确偏振态的复用码结构照明，照射到超颖表面全息上，即可实现对应通道光学信息的重建。
2.根据权利要求1的超颖表面全息复用方法，其特征在于，步骤一的具体实现方法为，
首先，对每个码分复用通道的目标图像强度开平方，在图像区域最外层进行补零，补零区域作为“不感兴趣区域”，补零后的振幅分布作为初始振幅；初始相位设置为随机相位，经过逆向传播计算后，得到一系列的复振幅分布；此时，每个通道的复振幅与对应的复用码分布相乘后，加权叠加并保留相位分布，所述相位分布即为当前迭代轮次中的全息图；全息图与对应通道的复用码分别进行相乘后，进行正向传播计算后，得到当前迭代轮次的重建复振幅信息；比对各个通道中的重建强度与目标图像的差异，若差异小于阈值，满足要求则输出全息图的相位分布；若差异大于等于阈值，则根据
对每个通道的振幅分别进行限制，相位进行保留，得到各个通道新的复振幅分布，导入下一轮迭代，直至差异小于阈值或者迭代轮数超过预设值；最终由编码过程得到N组计算全息图的相位分布信息；
其中，A表示目标图像振幅、
表示带入第k+1轮计算的振幅、
表示第k轮重建得到的振幅、α和β为可调优化系数。
3.根据权利要求1的超颖表面全息复用方法，其特征在于，编码过程中考虑的照明光源为单波长偏振光源。
4.根据权利要求1的超颖表面全息复用方法，其特征在于，步骤二所述参数结构扫描的方法包括基于严格耦合波分析方法、基于时域有限差分方法或基于有限元方法。
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