CN113296381B - 可实现非对称传输的单层纳米结构超表面及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面及其设计方法，超表面由介质基底及排布在上面的硅纳米砖单元结构组成。所有纳米砖的长轴、短轴长度以及高度相同，纳米砖的方向角不同，通过巧妙的设计纳米砖的方向，利用圆偏振光从纳米砖正向和反向入射时会产生相位相反的相位延迟，当左圆偏振光分别从超表面的正向和反向入射时，在超表面的菲涅尔区域会分别产生两幅不相关的全息图像，生成的全息图像具有高保真度、宽频响应和串扰低的优点。本发明可用于高端防伪、高端显示、虚拟现实、增强现实等领域，为未来的显示技术及安全技术开辟出一条新的路径。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及其光学全息技术领域，具体涉及一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面及其设计方法。
背景技术
超表面是一种人造亚波长结构的二维材料，它可以实现对电磁波的相位、振幅、偏振、极化方式等特征进行灵活有效的调控。得益于超表面对电磁波的调控能力，超表面在实现超透镜、波束整形、全息术等方面具有广阔的应用前景。然而，作为一种二维材料，超表面表现出了对称传输特性，它的前向传输和后向传输完全相同，这就限制了超表面在光通信、高端显示、数据存储等领域的应用。目前超表面实现非对称传输最常用的方法是叠层超表面以及分区域超表面，但是它们具有设计复杂，制作困难，低信息密度等缺点，因此急切需要一种超紧凑、设计简单和易于制作的超表面来满足双向全息技术的要求。
发明内容
针对现有方案的不足，本发明提出了一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面及其设计方法。仅仅使用单层结构，将两幅不相关图像的相位信息记录到同一纳米结构单元中，这大大简化了设计过程，并降低了加工难度，这种单层介质超表面在高端显示、高端防伪、虚拟现实、信息存储等领域具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面，其特征在于：包括；基底层和纳米砖阵列层：
所述非对称传输的单层纳米结构超表面由位于介质基底上周期性排列的若干个纳米结构单元组成。所述纳米砖结构单元具有相同的尺寸，但是它们的方向角不相同。所述方位角定义为纳米砖的长轴与X轴之间的夹角。所述纳米砖结构单元为亚波长尺寸。
所述纳米砖对入射的所述圆偏振光的作用表示为：当琼斯矢量为
的圆偏振光通过琼斯矩阵为
方向角为δ的纳米砖时，出射光的琼斯矢量为：
其中：
式中，tl和ts分别为纳米砖沿长轴与短轴的透射率系数，δ为两正交轴的相位延迟，|p|2和|q|2分别代表同向圆偏振光效率和反向圆偏振光效率，方向角α被定义为纳米砖长轴与X轴之间的夹角；当LCP从纳米砖的正面入射时，由式(2)可知，会产生2α的相位延时，这称为Pancharatnam-Berry(PB)相位；反之，当左圆偏振光(left circularpolarization:LCP)从纳米砖的反面入射时，等效于沿着纳米砖的Y轴方向对纳米砖进行镜像操作，则会产生-2α的相位延迟；因此，通过调控纳米砖的方向角，能点对点地控制光的相位，使得从正反方向入射的光会产生不同的相位延迟。所述基底层上的每个纳米砖相当于半波片在工作。
所述非对称的单层纳米结构超表面，当LCP分别从超表面的正反面入射时，在超表面的菲涅尔区域会出现两幅高保真度的全息图，超表面的正反两面一面一幅，出现的图像取决于圆偏振光的正向方向或者反向方向。
作为优选方案，纳米砖单元结构的基底由熔融石英玻璃材料制成；纳米砖由硅材料制成。
第二方面，本发明提供了一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：设计纳米砖的结构单元并进行优化。
使用电磁仿真软件进行优化，得到工作波长下的偏振转换效率最高的纳米结构单元参数。
S2：采用改进的Gerchberg-Saxton算法得到纳米结构单元的相位分布
所述的可实现非对称传输的单层纳米结构超表面的纳米结构单元的相位分布方法，其主要步骤如下所示：
步骤S2.1将全息面进行初始化。首先将全息面的相位分布设为一个随机相位
接着利用菲涅尔衍射公式得到目标图像1和目标图像2的新复振幅分布(
和
)。
式中，U0(x0,y0)和U(x,y)分别代表全息片及成像面的光波复振幅。d代表全息片和成像面之间的距离。λ为光波波长。
为虚数。
为波矢。
步骤S2.2将得到的目标图像1和目标图像2的新振幅(
和
)与它们的原始振幅(
和
)相比较，如果小于预设的误差ε，或者迭代次数达到最大循环次数N，则跳出循环，得到期望的相位分布，否则，利用逆菲涅尔变换得到一个新的分布函数
步骤S2.3将新的分布函数
中的相位取反，并将振幅设为1再次进行菲涅尔变换。
步骤S2.4重复上述步骤S2.2与步骤S2.3，直到得到的目标图像1和目标图像2的新振幅与原始振幅之间的误差小于预设值ε或者达到最大循环次数N，则获得最终的相位分布。
S3：采用步骤S1中优化得到的最佳结构尺寸参数，利用步骤S2中得到的相位分布编译成单层纳米结构超表面中的方位角分布。
S4：将两幅不相关图片的几何相位信息编码进所述非对称传输的单层纳米结构超表面中。
作为优选方案，所述步骤S1中的纳米砖结构尺寸参数包括纳米砖的周期CS，长度L，宽度W和高度H。
进一步，所述步骤S1中的工作波长为λ＝663nm，纳米砖的高度H＝380nm，周期CS＝340nm，长度L＝160nm和宽度W＝60nm。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明所设计的纳米结构单元为亚波长级，因此本发明所设计的超表面具有体积小，重量轻，集成化程度高的优点，这适应于未来超表面的应用朝着小型化、微小化的方向发展。
2、本发明所提出的一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面为单层的结构，和其他的可以实现非对称传输超表面如叠层超表面以及分区超表面相比，它要么是单层结构，具有制作与设计简单的优点，要么是将自由度一分为二，具有较高的信息密度。该超表面结构可以将两幅独立图像的几何相位信息编码到同一个纳米结构超表面中，这提高了同一超表面上所集成信息的密度，这为未来信息复用提供了一种新的方案。
3、本发明所设计的两幅图像相互独立，不能相互推断，互不影响，并且生成的全息图具有高保真度、宽频响应和低串扰的优点，因此本发明可适用于高端防伪、高端显示、光信息存储、虚拟现实等领域，这为未来的信息安全技术提供了一种新的途径。
附图说明
图1是本发明实施例中的纳米结构单元的立体结构示意图；
图2是本发明实施例中纳米砖的长短轴的透射系数和相位差图；
图3是本发明实施例中纳米砖的交叉偏振转换效率图；
图4是本发明实施例中所采用的改进GS算法流程图；
图5是本发明实施例中超表面实现正向传输功能的效果示意图；
图6是本发明实施例中超表面实现逆向传输功能的效果示意图；
图7是本发明实施例中所得的仿真结果图；
图中：1、SiO2基底；2、α-Si纳米砖；CS为纳米砖的周期；L为纳米砖的长度；W为纳米砖的宽度；H为纳米砖的高度；α为纳米砖的方向角。S-FFT为菲涅尔变换，S-IFFT为菲涅尔变换的逆运算。
具体实施方式
为了更加清楚的说明本发明实施例中，下面将对照附图对本发明作进一步地详细阐述。
实施例1
超表面纳米结构单元的立体结构示意图如图1所示。由图1可知，超表面由SiO2基底1和Si纳米砖2组成。纳米砖阵列由若干个具有相同尺寸不同方向角的纳米砖结构单元周期性排列组成，纳米砖单元为纳米级。具体如下：
第一步(S1)，以工作波长λ＝663nm为例，使用商业电磁仿真软件CST STUDIOSUITE进行建模仿真。以透射交叉偏振转换效率最高为优化目标，硅纳米砖的周期为CS，高度为H取固定值，即CS＝340nm，H＝380nm，入射光波长的范围选择550～700nm，以步长为10nm扫描纳米砖的长度L和宽度W，优化后的纳米砖单元结构几何参数为：长度L＝160nm，宽度W＝60nm。利用这些结构参数，本实施例模拟了波长为550～700nm时，纳米砖沿长、短轴的透射系数和两个正交轴之间的相位延迟，如图2所示。由图3可知，交叉偏振转换效率在λ＝663nm时达到峰值，为17.3％。
第二步(S2)，采用改进的Gerchberg-Saxton算法得到纳米结构单元的相位分布，结合图4进行说明，它的具体步骤如下：
步骤S2.1将全息面进行初始化。首先将全息面的相位分布设为一个随机相位
接着利用菲涅尔衍射公式得到目标图像1和目标图像2的新复振幅分布(
和
)。
式中，U0(x0,y0)和U(x,y)分别代表全息片及成像面的光波复振幅。d代表全息片和成像面之间的距离。λ为光波波长。
为虚数。
为波矢。
步骤S2.2将得到的目标图像1和目标图像2的新振幅(
和
)与它们的原始振幅(
和
)相比较，如果小于预设的误差ε，或者迭代次数达到最大循环次数N，则跳出循环，得到期望的相位分布Ψ(x,y)，否则，利用逆菲涅尔变换得到一个新的分布函数
步骤S2.3将新的分布函数
中的相位取反，并将振幅设为1再次进行菲涅尔变换。
步骤S2.4重复上述步骤S2.2与步骤S2.3，直到得到的目标图像1和目标图像2的新振幅与原始振幅之间的误差小于预设值ε或者达到最大循环次数N，则获得最终的相位分布。
第三步(S3)，采用第一步中优化得到的最佳结构尺寸参数，利用第二步中得到的相位分布编译成单层纳米结构超表面中的方位角分布。
第四步(S4)，使用LCP光从超表面的正反方向入射。由于当琼斯矢量为
的圆偏振光通过琼斯矩阵为
方向角为δ的纳米砖时，出射光的琼斯矢量为：
其中：
式中，tl和ts分别为纳米砖沿着长轴与短轴的透射率系数，δ为两正交轴的相位延迟，|p|2和|q|2分别代表同向圆偏振光效率和反向圆偏振光效率，方向角α被定义为纳米砖长轴与X轴之间的夹角。当LCP从纳米砖的正面入射时，由式(2)可知，会产生2α的相位延时，这称为Pancharatnam-Berry(PB)相位。反之，当左圆偏振光(left circularpolarization:LCP)从纳米砖的反面入射时，等效于沿着纳米砖的Y轴方向对纳米砖进行镜像操作，则会产生-2α的相位延迟。因此，可以通过调控纳米砖的方向角，可以点对点地控制光的相位，使得从正反方向入射的光会产生不同的相位延迟。
第五步(S5)，将两幅不相关图片的几何相位信息编码入所述非对称传输的单层纳米结构中，以图片H和U为例，当LCP分别从超表面的正反面入射时，在超表面的菲涅尔区域会出现两幅高保真度的全息图，正向入射时会出现字母U，反向入射时会产生字母H，如图5和图6所示。为了更好的验证本发明所提出的非对称传输的单层纳米结构超表面具有宽带响应，本发明将LCP的波长从563nm～683nm以步长20nm变化，仿真结果如图7所示，由图中可以看出，对于波长λ＝563、583、603、623、643、663、683nm时，全息片与字母‘U’之间的距离Z分别为1124、1086、1050、1016、984、955、927μm，对于反向入射，字母‘H’与字母‘U’出现的位置相同。
最后特别说明的是，以上具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案而不能用来限定权利范围，特别指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理以及技术方案的范围来说，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，这些修改与变动均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种可实现非对称传输的单层纳米结构超表面的设计方法，其特征在于：可实现非对称传输的单层纳米结构超表面包括基底层和纳米砖阵列层：
所述非对称传输的单层纳米结构超表面由位于介质基底上周期性排列的若干个纳米结构单元组成；所述纳米砖结构单元具有相同的尺寸，但是它们的方向角不相同；方位角定义为纳米砖的长轴与X轴之间的夹角；所述纳米砖结构单元为亚波长尺寸；所述纳米砖单元结构的基底由熔融石英玻璃材料制成；所述纳米砖由硅材料制成；
所述纳米砖对入射的圆偏振光的作用表示为：当琼斯矢量为
的圆偏振光通过琼斯矩阵为
方向角为δ的纳米砖时，出射光的琼斯矢量为：
其中：
式中，tl和ts分别为纳米砖沿长轴与短轴的透射率系数，δ为两正交轴的相位延迟，|p|2和|q|2分别代表同向圆偏振光效率和反向圆偏振光效率，方向角α被定义为纳米砖长轴与X轴之间的夹角；当LCP从纳米砖的正面入射时，如式(2)所示，会产生2α的相位延时，这称为Pancharatnam-Berry(PB)相位；反之，当左圆偏振光(left circular polarization:LCP)从纳米砖的反面入射时，等效于沿着纳米砖的Y轴方向对纳米砖进行镜像操作，则会产生-2α的相位延迟；因此，通过调控纳米砖的方向角，能点对点地控制光的相位，使得从正反方向入射的光会产生不同的相位延迟；
当LCP分别从超表面的正反面入射时，在超表面的菲涅尔区域会出现两幅高保真度的全息图，超表面的正反两面一面一幅，出现的图像取决于圆偏振光的正向方向或者反向方向；
包括以下步骤：
S1：设计纳米砖的结构单元并进行优化：
使用电磁仿真软件进行优化，得到工作波长下的偏振转换效率最高的纳米结构单元参数；所述步骤S1中的纳米砖结构尺寸参数包括纳米砖的周期CS，长度L，宽度W和高度H；所述步骤S1中的工作波长为λ＝663nm，纳米砖的高度H＝380nm，周期CS＝340nm，长度L＝160nm和宽度W＝60nm；
S2：采用改进的Gerchberg-Saxton算法得到纳米结构单元的相位分布；
S3：采用步骤S1中优化得到的最佳结构尺寸参数，利用步骤S2中得到的相位分布编译成单层纳米结构超表面中的方位角分布；
S4：将两幅不相关图片的几何相位信息编码进所述非对称传输的单层微纳结构中。
2.根据权利要求1中所述的可实现非对称传输的单层纳米结构超表面的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，可实现非对称传输的单层纳米结构超表面的纳米结构单元的相位分布方法，其具体步骤如下：
步骤S2.1：将全息面进行初始化；首先将全息面的相位分布设为一个随机相位
接着利用菲涅尔衍射公式得到目标图像1和目标图像2的新复振幅分布即
和
式中，U0(x0,y0)和U(x,y)分别代表全息片及成像面的光波复振幅；d代表全息片和成像面之间的距离；λ为光波波长；
为虚数；
为波矢；
步骤S2.2：将得到的目标图像1和目标图像2的新振幅即
和
与它们的原始振幅即
和
相比较，如果小于预设的误差ε，或者迭代次数达到最大循环次数N，则跳出循环，得到期望的相位分布Ψ(x,y)，否则，利用逆菲涅尔变换得到一个新的分布函数
步骤S2.3：将新的分布函数
中的相位取反，并将振幅设为1再次进行菲涅尔变换；
步骤S2.4：重复上述步骤S2.2与步骤S2.3，直到得到的目标图像1和目标图像2的新振幅与原始振幅之间的误差小于预设值ε或者达到最大循环次数N，则获得最终的相位分布。
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