CN113391443B - 基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法 - Google Patents

基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法。该光学调制器包括五层结构，至下而上依次为金属反射层‑下电介质层‑金属中间层‑上电介质层‑金属层；所述光学调制器的工作波长由上电介质层的厚度决定，通过改变下电介质层的厚度以实现工作波长下反射光强的控制。所述超表面由多个光学调制器阵列于一平面构成，可实现灰度图像的加密隐藏和显示。本发明将反射强度连续控制和工作波长可定制的优势集成为一个纳米微腔的薄膜结构，通过优化调制，可以实现灰度图像信息加密的功能，同时具有结构简单，微纳尺寸以及易于集成等优点，可广泛用于光学调制，信息加密，完美吸收等光学领域。

Description

基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法
技术领域
本发明属于微纳光学领域，尤其涉及一种基于纳米微腔的光学调制器、超表面及其信息加密方法。
背景技术
干涉是电磁波的基本现象，当两束或者多束光波在空间中相干重叠时，会构建出相长或者相消的强度分布。通过改变两束光波之间的相位差，可以实现强度的连续调控，许多光学设备都依赖于干涉原理，例如干涉仪，光谱仪，相干完美吸收等。近来，基于法布里-珀罗(Fabry–Perot，FP)腔的干涉效应，一种反射式金属-绝缘体-金属制成的三层薄膜叠层被广泛研究被用于完美吸收(Li Z,Butun S,Aydin K.Large-area,lithography-freesuper absorbers and color filters at visible frequencies using ultrathinmetallic films[J].Acs Photonics,2015,2(2):183-188.)，通过改变绝缘体层的厚度，可以定制其完美吸收的工作波长，这种薄膜叠层的策略可以满足经济高效的大面积制造以及优越的光学性能。然而，这种设计缺乏对同一波长下连续灰度调控的能力，当绝缘体层的厚度变化～30nm时，其反射率将从0快速转变到1，这样的厚度变化范围内，实现强度的连续控制，对加工工艺是一项巨大的挑战。
在超表面领域，一种基于马吕斯定律的连续强度调制的策略被提出(Dai,Liangui,Deng,et al.Ultracompact,high-resolution and continuous grayscaleimage display based on resonant dielectric metasurfaces.[J].Optics express,2019,27(20):27927-27935.)，通过改变微纳单元结构的旋转角，可以在亚波长尺度下对电磁波进行连续的强度调制，但是该设计要求入射光的偏振为线偏振；同时，一种单元结构只对应一个工作波长，当工作波长切换时，其结构的参数需要进行重新设计，这限制了该微纳器件用于连续强度调制的场景。随着对光学器件小型化，集成化的要求和趋势，利用微纳尺度下的结构，实现对任意偏振的光波进行连续的强度调制并且工作波长可定制，亟待新的创新和革命。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于纳米微腔的光学调制器，包括五层结构，至下而上依次为金属反射层-下电介质层-金属中间层-上电介质层-金属层；
所述光学调制器的工作波长由上电解质层的厚度决定，通过改变下电解质层的厚度以实现工作波长下反射光强的控制。
进一步，所述金属反射层、金属中间层和金属层的材料包括银和金。
进一步，所述下电介质层和上电介质层的材料包括PMMA、二氧化硅和三氧化二铝。
进一步，所述光学调制器在加密波长下，通过调制，将上层电介质厚度与加密波长对应，固定金属中间层、上电介质层和金属层各层厚度，改变下电介质层的厚度以实现反射光强度的控制。
进一步，所述金属层与金属中间层的厚度相同。
第二方面，本发明提供第一方面所述光学调制器在光学调制、灰度图像信息加密和完美吸收中的应用。
第三方面，本发明提供一种基于纳米微腔的光学调制器的超表面，该超表面由多个第一方面所述的光学调制器阵列于一平面构成。
进一步，所述超表面通过调制，在工作波长的光照射下，其反射光线生成灰度图像。
第四方面，本发明提供第三方面所述超表面实现信息加密的设计方法，包括以下步骤：
(1)选择特定波长λ1作为加密波长；
(2)根据加密波长，扫描金属层-上电介质层-金属中间层堆叠结构的透射率，确定上电介质的厚度t1时，该三层薄膜透射的中心波长为λ1；
(3)固定t1，对金属层-上电介质层-金属中间层-下电介质层-金属反射层堆叠结构，扫描下层电介质厚度t2，得到工作波长λ1下经过堆叠结构后反射率随t2的变化趋势；
(4)根据反射率随t2的变化趋势，将下层电介质厚度t2与各级灰度进行对应；
(5)将每个单元结构作为独立像素，通过调节下层电介质厚度t2控制灰度显示，以与待显示图像的每个像素的灰度信息形成对应关系；
(6)将单元结构根据对应关系阵列即获得纳米微腔的光学调制器。
进一步，所述步骤(3)中在工作波长λ1下，光线经过堆叠结构反射后，随着t2的变化，反射光线的灰度具有人眼可辨识的变化。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过五层纳米薄膜的堆叠可以实现对光波反射率和工作波长的有效控制，且结构简单易于加工，同时还具有超微尺寸，易于集成等重要优点。
(2)通过调节金属-电介质-金属-电介质-金属层中上层电介质的厚度，就可以实现对工作波长的调节；通过调节金属-电介质-金属-电介质-金属层中下层电介质的厚度，就可以实现对反射强度的连续控制，设计十分简单。
(3)纳米微腔中电介质层的材料选取具有普适性，可以选择二氧化硅，有机玻璃，三氧化二铝等常用电介质材料。
(4)本发明设计的纳米微腔阵列，可以实现灰度图像的信息加密，在白光下图像信息被隐藏，只有用特定波长的光照明纳米微腔阵列时，灰度图像被解密并显示出来，因此可应用于光学调制和图像信息加密等重要光学领域。
附图说明
图1是本发明中基于纳米微腔的光学调制器的结构示意图；
图2是本发明实施例中上层电介质厚度135nm时，光学调制器光谱反射率随下层电介质层厚度变化的仿真效果图；
图3是本发明实施例中在工作波长为555nm时，光学调制器随下层电介质层厚度变化的仿真效果图；
图4是本发明实施例中上层电介质厚度97nm时，光学调制器光谱反射率随下层电介质层厚度变化的仿真效果图；
图5是本发明实施例中在工作波长为460nm时，光学调制器随下层电介质层厚度变化的仿真效果图；
图6是本发明中纳米微腔阵列实现信息加密的效果示意图；
图7是本发明实施例中纳米微腔阵列实现信息加密的实验效果图；
图8是本发明实施例中纳米微腔阵列加工方法和步骤的示意图；
图中，h1为金属层和金属中间层银的厚度、h2为金属反射层的厚度、t1为上电介质层的厚度，t2为下电介质层的厚度。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。本发明的内容完全不限于此。
实施例1
本实施例为一种基于纳米微腔的光学调制器的具体设计过程，及器件加工的具体实施方法。
作为实施例，为更清楚的说明发明结构的性能，选取有机玻璃(PMMA)，折射率为1.49作为电介质层材料。
首先确定纳米微腔的结构为银层-上PMMA层-银中间层-下PMMA层-银反射层薄膜堆叠结构，如图1所示。
其次，对银层-上PMMA层-银中间层(h1/t1/h1)三层薄膜，利用电场仿真软件FDTDSolutions进行单独的优化设计模拟，可以确定当银层厚度为h1＝27nm时，改变上PMMA层的厚度t1可以有效改变上三层薄膜透射的中心波长。在确定透射波长为555nm时，可以通过对上PMMA层的厚度扫描得到对应的厚度应为t1＝135nm。
然后在模拟中添加下PMMA层和银反射层，在仿真中取银反射层的厚度h2＝100nm，通过扫描下PMMA层的厚度t2可以得到反射光谱随厚度t2的变化关系，如图2所示。根据图2，可以观察到在选定波长555nm下的反射率，随t2的增加，反射率在0和0.86之间逐步变化，其变化趋势类似与余弦函数，如图3所示。根据图3，波长555nm的光经过纳米微腔后，通过调整下PMMA层的厚度t2变化～100nm时，可以有效的控制其反射率在0到0.86之间变化。图4为上PMMA层厚度t1固定为97nm时，扫描下层PMMA的厚度t2得到的反射光谱随厚度变化的关系。从反射光谱可以看到此时反射率主要变化的波长变为了460nm，这是因为t1的厚度变化会带来工作波长的移动。图5展示了在图4中460nm处的反射率随t2的变化。根据图2到图5可以发现，t1的厚度决定了反射强度随t2连续变化的工作波长；在工作波长处(t1固定)，改变下层PMMA的厚度t2可以带来反射强度的连续调制。因此，本发明提出的金属-电介质-金属-电介质-金属薄膜叠层结构，只需要调整两个电介质层的厚度，就可以实现工作波长的操控和连续反射强度的控制。
本实施例提出的银层-上PMMA层-银中间层-下PMMA层-银反射层薄膜堆叠结构中的银层可以通过热蒸发或者电子束蒸镀进行镀膜，PMMA可以通过旋涂的方式进行成膜，都是简单易得的加工方式。而且整体的高度在1微米以内变化就可以实现可见光波段的连续强度调控，并且工作波长可调，其结构尺寸和工作性能都是优异的。
实施例2
本实施例为一种基于纳米微腔的光学调制器阵列用于信息加密的具体设计过程，即加密器件的具体设计的实施过程。
根据图4，当上PMMA层厚度t1固定为97nm时，随下PMMA层厚度t2的变化，整个反射光谱的反射率变化主要集中在460nm，而在其他波长例如600nm基本维持在一个高反射率的状态。对于人眼观测来说，白光中的某一波长或者一个窄带的波段的光，其能量变化，对人眼的观测结果不会产生太大的影响。人眼观测到整体颜色，不会因为某一波长能量的缺失或变化产生影响。也就是说，对于图4如果只关注波长460nm，所设计的基于纳米微腔的光调制器，改变t2厚度，其反射能量有明显的亮暗变化；如果用白光照明，即使460nm附近的亮暗变化，对人眼观测到的颜色产生的影响不明显。基于此，本实施例将在460nm下具有不同反射强度(不同t2)的纳米微腔按照灰度图片各像素的灰度信息进行排布，这样在460nm下，该排布将会显示出一幅灰度图像；而在白光下，由于其他波长的高反射率以及整体效应，人眼将观测不到图像的存在，其示意图如图6所示。为了验证上述的设计方案，本实施例加工了具有不同t2的纳米微腔阵列，通过将460nm处的反射率与灰度图像相对应，成功使得该纳米微腔阵列能够在460nm出显示出一幅灰度图像，实验结果如图7所示。与设计方案相符，在白光(卤素灯)照明下，以及其他高反射率的波长(550nm和610nm)下照明时，灰度图像被隐藏，观测到均匀的光场分布，无法从纳米微腔阵列得到有用的信息。因此，一幅灰度图像信息被加密，只有当纳米微腔阵列被工作波长的光照射时，加密的信息才会显示，得以解密。此外，加密的波长即连续灰度调控的工作波长，是可以通过调整t1的厚度进行设计和调整的。
基于纳米微腔的光学调制器用于信息加密的具体设计步骤总结如下：
(1)确定信息加密的波长λ1。
(2)根据所需的波长，扫描银-电介质-银三层薄膜的透射率，确定上层电介质的厚度t1时，该三层薄膜透射的中心波长为λ1。
(3)固定t1，对银-电介质-银-电介质-银薄膜堆叠结构，扫描下层电介质厚度t2，可以得到工作波长λ1经过结构后反射率随t2的变化趋势。
(4)选取具有不同反射率的银-电介质-银-电介质-银薄膜堆叠结构，以用于生成不同的灰度。
(5)将银-电介质-银-电介质-银薄膜堆叠结构做成像素单元，并根据反射率与图像灰度的关系，在空间中排布像素单元来生成期望的纳米微腔阵列。
(6)用工作波长的光照射纳米微腔阵列，则一幅灰度图像信息现象；用其他波长的光照射纳米微腔阵列，则无法观测到图像信息。
图8展示了对于具有不同t2厚度的纳米微腔阵列的具体加工步骤，由于t1控制工作波长，即工作波长确定时，t1厚度固定，上层PMMA厚度是一致的。因此，为了简化加工流程，本实施例采取自上而下(从金属层到金属反射层)的加工流程：步骤一，在二氧化硅基底上先依次通过热蒸发蒸镀27nm的银层，然后旋涂97nm厚度的上PMMA层(t1)，再通过热蒸发蒸镀27nm的银中间层；步骤二，在制备好的银层-上PMMA层-银中间层三层薄膜上，再旋涂一层下PMMA层，通过控制电子束曝光的不同剂量，曝光后经过显影，得到不同的PMMA厚度(t2)；最后，步骤三，通过热蒸发蒸镀100nm的银层作为银反射层。通过上述操作，可以在不增加加工复杂度的情况下，自上而下的加工出具有不同t2厚度的纳米微腔阵列，将整体翻转180°即可获得图1的结构，由于二氧化硅基底是透明的，不会影响反射性能，因此从二氧化硅基底的一侧，在工作波长下，可以观测到加密的信息；而在白光或其他波长下，观测不到信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于纳米微腔的光学调制器，其特征在于：
包括五层结构，至下而上依次为金属反射层-下电介质层-金属中间层-上电介质层-金属层；
所述光学调制器的工作波长由上电介质层的厚度决定，在工作波长下，通过调制，将上层电介质厚度与工作波长对应，固定金属中间层、上电介质层和金属层各层厚度，改变下电介质层的厚度以实现工作波长下反射光强度的连续控制。
2.根据权利要求1所述的光学调制器，其特征在于：所述金属反射层、金属中间层和金属层的材料包括银和金。
3.根据权利要求1所述的光学调制器，其特征在于：所述下电介质层和上电介质层的材料包括PMMA、二氧化硅和三氧化二铝。
4.根据权利要求1所述的光学调制器，其特征在于：所述金属层与金属中间层的厚度相同。
5.权利要求1-4任一项所述的光学调制器在光学调制、灰度图像信息加密和完美吸收中的应用。
6.一种基于纳米微腔的光学调制器的超表面，其特征在于：由多个权利要求1-4任一项所述的光学调制器阵列于一平面构成。
7.根据权利要求6所述超表面，其特征在于：所述超表面通过调制，在工作波长的光照下，其反射光线生成灰度图像。
8.权利要求6或7所述超表面实现信息加密的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择特定波长λ1作为加密波长；
(2)根据加密波长，扫描金属层-上电介质层-金属中间层堆叠结构的透射率，确定上电介质的厚度t1时，该三层薄膜透射的中心波长为λ1；
(3)固定t1，对金属层-上电介质层-金属中间层-下电介质层-金属反射层堆叠结构，扫描下层电介质厚度t2，得到工作波长λ1下经过堆叠结构后反射率随t2的变化趋势；
(4)根据反射率随t2的变化趋势，将下层电介质厚度t2与各级灰度进行对应；
(5)将每个光学调制器作为独立像素，通过调节下层电介质厚度t2控制灰度显示，以与待加密灰度图像的每个像素的灰度信息形成对应关系；
(6)将光学调制器根据对应关系排成阵列即获得用于目标图像信息加密的纳米微腔阵列。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中在工作波长λ1下，光线经过堆叠结构反射后，随着t2的变化，反射光线的灰度具有人眼可辨识的变化。
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