CN113466984B - 基于双柱电介质超表面的偏振器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双柱电介质超表面的偏振器件，包括电介质基底、电介质纳米柱阵列，所述的电介质纳米柱阵列包括N组的双原子超构分子，N≥2，所述的双原子超构分子位于电介质基底上，所述的双原子超构分子包括两个尺寸一致的纳米柱，两个纳米柱的中心与水平方向呈不同夹角，两个纳米柱位于电介质基底上形成双柱电介质超表面；通过调控双原子超构分子的尺寸大小与两个纳米柱的旋转角之差/之和，实现对衍射光振幅、偏振的同时独立调控。本发明通过利用电介质双原子结构实现了衍射光振幅、偏振的同时独立调控，增加了自由度，激发了超构表面偏振光学的应用潜能，提供了更多的超构表面应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于双柱电介质超表面的偏振器件。
背景技术
为了满足防伪、身份证等信息安全市场的迫切需求，对信息复用和隐藏技术等应用提出了更高的要求。偏振作为光的基本属性之一，在这方面有着重要的实践意义。由于马吕斯定律涉及偏振光通过偏振器后的强度，正交偏振态通常被认为是其实现信息复用和隐藏技术应用的必要条件。超构表面(一种以空间变化方式调制光场的超薄平台)的最新进展，为多种偏振光学的波前整形开辟了新途径，并促进了复杂的信息技术。通过引入具有局部各向异性的亚波长大小的超构分子，可以实现从偏振产生、全息术、图像打印到超构透镜等多种超构表面应用。利用其通用的光场操纵能力，研究者们可以在超构表面平台上进行多通道图像编码，为高密度和高安全性信息加密技术提供了优良平台。研究者们利用垂直排列的交错各向异性天线对和几何相位响应元结构分别实现了正交线偏振和圆偏振下的偏振复用和图像隐藏。后来，通过结合几何相位和共振相位调制方案，这种复用已经扩展到了任意的正交偏振范畴。
然而，正交偏振复用的限制已经为公众所熟知，可以通过窥探正交偏振来确认信息安全。近年来，基于马吕斯定律，提出了一种均匀光束作用下的任意偏振空间分布的矢量图像隐藏方法。这种先进的信息复用技术依赖于对输出光束的线偏振旋转进行逐点调制，用以产生连续灰度级的高分辨率近场图像。在这种偏振超构表面中，可以进一步利用马吕斯定律的偏振方向退化对附加图像进行多路复用，但这是以牺牲调控自由度为代价的，仅能在指定的偏振旋转角度下实现。总体调控自由度的受限不可避免会导致多路信道之间的依赖关系，大大降低了信息隐藏技术的安全性。
因此，行业内急需研发一种自由度调控大、高保真度和高安全性的偏振角图像复用及隐藏器件。
发明内容
本发明的目的是为了解决偏振复用自由度受限，信息复用隐藏技术安全性低的问题，提供了一种基于双柱电介质超表面的偏振器件。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于双柱电介质超表面的偏振器件，包括电介质基底、电介质纳米柱阵列，所述的电介质纳米柱阵列包括N组的双原子超构分子，N≥2，所述的双原子超构分子位于电介质基底上，所述的双原子超构分子包括两个尺寸一致的纳米柱，两个纳米柱的中心与水平方向呈不同夹角，两个纳米柱位于电介质基底上形成双柱电介质超表面；通过调控双原子超构分子的尺寸大小与两个纳米柱的旋转角之差/之和，实现对衍射光振幅、偏振的同时独立调控。
优选地，所述的电介质基底、电介质纳米柱阵列的厚度均为纳米量级。
优选地，所述的电介质基底材料为二氧化硅，所述的电介质纳米柱阵列材料为二氧化钛。
优选地，调整双原子超构分子的周期大小、两纳米柱与电介质基底的相对位置、两纳米柱的尺寸大小和旋转角度，双柱电介质超表面在可见光范围内抑制0级反射、-1级反射、0级透射，并将-1级透射效率最大提高到95％以上。
优选地，在双柱电介质超表面的单个周期内，两纳米柱的中心分别位于周期长度的四分之一和四分之三处时，两个纳米柱的旋转角之差ψ-＝ψ1-ψ2与衍射光振幅A呈正弦型调制关系：A＝sinψ-。
优选地，在双柱电介质超表面的单个周期内，两个纳米柱的中心分别位于周期长度的四分之一和四分之三处时，两个纳米柱的旋转角之和ψ+＝ψ1+ψ2与衍射光偏振方向呈线性调制关系：(Ex,Ey)～(cosψ+,sinψ+)。
优选地，通过双原子超构分子与预设图像上单个像素点的一一对应，逐点配置输出光束的振幅和偏振的解析形式：
Ex(x,y)、Ey(x,y)表示双柱电介质超表面后的输出电场，ψ-(x,y)、ψ+(x,y)表示纳米柱的转角差与转角和，Ex(x,y)、Ey(x,y)可通过预设图像得到。
优选地，基于双柱电介质超表面的偏振器件的像素大小为纳米量级。
优选地，所述的单个纳米柱的尺寸为纳米量级。
本发明的任意偏振角图像复用及隐藏器件的技术原理如下：
线性变化的偏振器件可以用琼斯矩阵来表示，双原子超构分子的偏振状态也是线性变化的，因此可以用琼斯矩阵来表示它的偏振变化情况。一般地，双原子超构分子的琼斯矩阵表达式为：
在上式中，ψ1和ψ2分别是两个纳米柱中心与水平方向的夹角，p1和p2分别是两个纳米柱中心与电介质边界的距离，p0则是双原子超构单元的周期大小，这与双原子超构分子的结构参数保持一致。
在本发明中，将其限定在一个特定的条件下：p1＝p0/4，p2＝3p0/4。这样双原子超构单元就相当于一个半波片，且此时的偏振转换效率达到最高。因此式子(1)可以化简得到：
ψ+＝ψ1+ψ2，ψ-＝ψ1–ψ2，分别表示两个纳米柱的转角和、转角差。
当线偏振光入射时，例如TM线偏振光则输出光场的分量可以表示为：
可以看出输出光场也是线性偏振的，并且它的振幅和偏振角分别由转角差ψ-和转角和ψ+独立调控。另外该设计原理也适用于TE偏振入射。下面展示自由度显著增强的马吕斯超构表面用于振幅与偏振角完全独立的调控。
假设超构表面的输出光场通常具有如下形式：
在通过取向角为θ的偏振片分析仪后，最终的输出光场可以根据马吕斯定律获得，
对于先前的马吕斯超构表面仅偏振调制情况，Ex(x,y)与Ey(x,y)并不是独立的，而是以关系式相互联系的，因此只有灰度值能够编码。然而，在目前的振幅与偏振联合调控情况下，Ex(x,y)与Ey(x,y)可以通过以下两个自由度ψ+和ψ-组成的表达式确定，
然后，可以基于以下两个明确的表达式，基于两个完整的独立灰度图像来设计空间变化的几何参数，
综上，通过对双原子电介质纳米柱结构的光场调控特性进行琼斯矩阵分析，证明其能够同时独立调控光的振幅与偏振两个自由度。这样的调制方案增加了马吕斯超构表面的自由度，并且可以用来设计各种高级功能。例如，如果将Ey(x,y)设置为Ex(x,y)的函数，则Ey(x,y)＝f(Ex(x,y))，然后可以得到，
如果用Ex(x,y)对目标图像进行编码，则可以调整偏振片分析仪的角度θ来实现动态成像过程。例如设置f(Ex(x,y))＝0，可以通过改变偏振片分析仪的角度θ来动态调整图像的亮度；通过将f(Ex(x,y))设置为其他适当的功能，可以执行其他图像处理操作，例如图像伽玛变换，阈值化和对比度调整等。
在众多的图像处理功能中，特别选择两个代表性的功能：任意偏振角图像复用和任意偏振角图像隐藏。
在任意偏振角图像复用中，假设两个独立的灰度图像分别为E1(x,y)和E2(x,y)，并且在两个任意偏振角θ1和θ2下复用，则可以将它们在xoy坐标中表示为：
然后，当偏振片分析仪后的角度为θ时的输出强度为：
正如所看到的，当θ＝θ1时，当θ＝θ2时，/>以预先设计的偏振角度完成不同图像的重建，值得注意的是，当θ1＝0°且θ＝90°时，其变成了一般的正交偏振复用。
此外，对于任意偏振角图像隐藏功能，可以按照以下方式将一幅图像E1(x,y)编码为直接显示的灰度图像，将E2(x,y)编码的图像隐藏在任意偏振片分析仪的角度为θ0时，则可以将它们在xoy坐标中表示为：
那么没有添加偏振片分析仪的输出光场是图像E1(x,y)，而有偏振片分析仪的输出场是：
当θ＝θ0时，隐藏的图像E2(x,y)出现：
本发明基于超常光学衍射理论通过双柱电介质超表面在可见光范围内抑制0级反射、-1级反射、0级透射。超常光学衍射理论具体为:
十八世纪初期，R.W.Wood首次观察到光栅的光谱强度在一定的波长下的尖锐或突然的变化[88]，后来被称为伍德异常，共有三种光学异常现象：瑞利异常、共振异常、非共振异常[89]。其中瑞利异常指的是在衍射光波的闪耀角上，某个衍射级的倏逝波变成传播波或者传播波变成了倏逝波，从而导致了其他衍射级次上衍射能量的重新分布。共振异常指的是入射光与光栅所支持的泄露模式之间的耦合所导致衍射能量发生的急剧变化。非共振异常常见于非共振效应如布拉格异常或利特罗装置等。
超常光学衍射(EOD)理论是基于瑞利异常所发展起来的。光栅方程的公式：
n0,nm表示入射端和出射端的折射率，k0为传播常数，θ0，θm表示入射角和出射角，m表示衍射级次，一般地，令n0＝nm＝1，则式子(2.1)可化简得到：
根据式子(16)可以得到图5，纵坐标为k0，横坐标为kx＝k0*sinθ,图5中的灰色区域为零级衍射通道，传统的超构表面工作于此区域，右边黑色的区域为零级、负一级衍射通道，此区域常被称为超常光学衍射(EOD)区域，通过精确调控超构原子，可抑制零级衍射通道，大部分能量都集中于负一级衍射通道，且衍射效率提升到90％以上。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明提出的一种基于双柱电介质超表面的偏振器件，通过对双原子电介质纳米柱结构的光场调控特性进行琼斯矩阵分析，证明其能够同时独立调控光的振幅与偏振两个自由度，实现对衍射光振幅、偏振的完全独立调控，振幅A＝sinψ-，偏振(Ex,Ey)～(cosψ+,sinψ+)，从而为图像复用和隐藏提供了前所未有的新自由度，并具有高衍射效率，高保真度和先进的安全性。所提出的策略基于琼斯矩阵分析的双原子排列单元，在可见光范围内具有高达95％的绝对衍射效率，而且双原子超构分子中两个纳米柱的旋转角之差/之和与衍射光的振幅/偏振之间呈现出近乎完美的线性调制关系。在电介质纳米柱阵列上可实现任意非正交偏振图像多路复用和隐藏功能，为超构表面偏振光学应用开辟了新途径，并有望实现超安全的防伪和加密技术。
2)本发明对衍射光的振幅、偏振态的调制只与超构分子中两个纳米柱的旋转角之差/之和有关，与入射光的波长无关，故本发明具有无色散，宽带宽等优点。
3)本发明的双原子电介质纳米柱结构的入射光为线偏振光，通过精心设计工作于任意的线偏振光下，有偏振不敏感特性，实用性特别强。
4)本发明提出的一种基于双柱电介质超表面的偏振器件除了演示的两个代表性的功能(任意偏振角图像复用和任意偏振角图像隐藏)外，还可以实现许多其他的图像处理操作，例如调整图片亮度、图像伽玛变换、阈值化和对比度调整等。
5)本发明的电介质纳米柱阵列的长度、高度、宽度和周期均为纳米量级的，有结构紧凑，重量较轻等优势，具备可集成的潜力。
6)本发明的双原子电介质纳米柱结构采用高折射率的电介质材料二氧化硅，通过精心设计可以使超构表面的工作频段覆盖整个可见光区域，同时可以增强-1级透射并抑制其他衍射级次，最终生成对比度高、清晰度高的近场变换图像。
附图说明
图1的(a)是本实施例的基于双柱电介质超表面的偏振器件的原理示意图。
图1的(b)是本实施例的基于双柱电介质超表面的偏振器件的单个双原子超构分子的俯视图。
图2的(a)是本实施例的基于双柱电介质超表面的偏振器件在入射角度与入射波长变化时-1级透射的衍射效率仿真图。
图2的(b)是本实施例的基于双柱电介质超表面的偏振器件在入射波长变化时各个衍射级次的衍射效率仿真图。
图2的(c)是本实施例的基于双柱电介质超表面的偏振器件的振幅与旋转角之差的关系仿真图。
图2的(d)是本实施例的基于双柱电介质超表面的偏振器件的偏振角与旋转角之和的关系仿真图。
图3的(a)是本实施例的任意偏振角图像复用的原理演示图。
图3的(b)是本实施例的0°样品的模拟变换图。
图3的(c)是本实施例的30°样品的模拟变换图。
图3的(d)是本实施例的45°样品的模拟变换图。
图3的(e)是本实施例的60°样品的模拟变换图。
图3的(f)是本实施例的90°样品的模拟变换图。
图3的(g)是本实施例的17°样品的模拟变换图。
图3的(h)是本实施例的31°样品的模拟变换图。
图3的(i)是本实施例的45°样品的模拟变换图。
图3的(j)是本实施例的61°样品的模拟变换图。
图3的(k)是本实施例的73°样品的模拟变换图。
图4的(a)是本实施例的任意偏振角图像隐藏的原理演示图；
图4的(b)是本实施例的添加与不添加偏振片P2的模拟近场图像。
图4的(c)是本实施例的添加与不添加偏振片P2的模拟近场图像。
图4的(d)是本实施例的添加与不添加偏振片P2的模拟近场图像。
图4的(e)是本实施例的添加与不添加偏振片P2的模拟近场图像。
图5是超常光学衍射(EOD)图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1是基于双柱电介质超表面的偏振器件的工作示意图和单个结构的俯视图，本发明的基于双柱电介质超表面的偏振器件主要用于任意偏振角图像复用和任意偏振角图像隐藏，偏振器件包括电介质纳米柱阵列、电介质基底，通过调整双原子超构分子的周期大小，双原子纳米柱与电介质基底的相对位置，以及双原子纳米柱的尺寸大小和旋转角度，可实现高效的-1级透射，其他衍射级次则受到抑制。所述的电介质纳米柱阵列对入射光波进行调制，并在近场成像，需要借助于显微物镜、CCD相机等捕获图像。所述的电介质纳米柱阵列在工作时对入射光波的线性偏振态没有要求，即线性偏振不敏感特性。
其中，电介质纳米柱阵列的尺寸为纳米量级，由于二氧化钛在可见光范围具有高折射率与低吸收性质，所以本实施例采用二氧化钛材料来制作电介质纳米柱，电介质纳米柱结构由电子束光刻加工得到，电介质基底的制作材料为二氧化硅。在本实施例中，如图1的(a)所示，二氧化硅折射率ns＝1.45,二氧化钛折射率nt＝2.4；具体的结构参数为：纳米柱长度wx＝250nm，纳米柱宽度wy＝100nm，纳米柱高度h＝800nm，基底宽度py＝350nm，超构分子周期p0＝700nm。另外电场沿y方向为TE偏振，电场沿x方向为TM偏振，z方向为光波传输的方向。双原子超构分子的平面俯视图如图2的(b)所示，ψ1和ψ2分别是两个纳米柱与水平方向的夹角，p1和p2分别是两个纳米柱中心与电介质边界的距离，p0则是双原子超构单元的周期大小。其中p1＝p0/4，p2＝3p0/4，此时双原子超构分子就相当于一个半波片，且偏振转换效率达到最高。
图2的(a)为变入射角度变入射波长的衍射效率图，入射角度从0°到接近70°，入射波长大约从450nm到650nm，黄色的高亮部分表示透射-1级透射，占据了图片的大部分区域。图2的(b)为空气入射角度为24°时的衍射光谱图，与图2的(a)中的白色虚线相对应，很显然，-1级透射的衍射效率遍布整个可见光区域，其他衍射级次的衍射效率受到抑制。图2的(c)和图2的(d)展示了入射角24°，入射波长550nm时，两个电介质纳米柱的角度ψ1，ψ2的与T-1、arctan(T-1y/T-1x)之间的关系。可以很明显地看出总振幅|T-1|与双原子旋转角之差、偏振角arctan(T-1y/T-1x)与双原子旋转角之和都呈现出近乎完美的线性调制关系。基于双柱电介质超表面的偏振器件是线偏振不敏感型的，TE偏振入射具有相同的效果。由模拟分析图可以得出基于双柱电介质超表面的偏振器件可以同时调控入射光波的振幅和偏振，下面将进行任意偏振角图像复用及隐藏应用演示。
图3为任意偏振角图像复用的应用演示。如图3的(a)所示，一束高斯光入射，经过偏振片P1后变成线偏振光，并倾斜照射到超构表面上，然后又经过偏振片P2，偏振片P2的偏振角度θ为θ1、θ2时，出现不同的近场图像。在550nm的TM线偏振光入射下，0°-90°图像复用，当检偏器P2的旋转角度分别为0°，30°，45°，60°，90°时，与图的3(b)-图的3(f)所示的模拟图像一致；17°-73°图像复用，当检偏器P2的旋转角度分别为17°，31°，45°，61°，73°时，与图3的(g)-图3的(k)所示的模拟图像一致。当偏振片P2转动到预先设计的两个偏振角时，两幅独立图像可以清晰地显示出来，而在其他偏振角下，捕获的图像是两个图像的混合。
图4为任意偏振角图像隐藏的应用演示。如图4的(a)所示，一束高斯光入射，经过偏振片P1后变成线偏振光，然后倾斜照射到超构表面上，若不添加偏振片P2，则显示出孔子图像，若添加偏振片P2并选定偏振角θ0，则显示出隐藏的二维码图像。在550nm的TM线偏振光入射下，通过在超构表面后面添加偏振片分析仪P2，并将偏振角设置为θ0＝45°(可任意设计)。图4(b)-图4(e)为模拟接收的孔子和二维码的近场图像。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，包括电介质基底、电介质纳米柱阵列，所述的电介质纳米柱阵列包括N组的双原子超构分子，N≥2，所述的双原子超构分子位于电介质基底上，所述的双原子超构分子包括两个尺寸一致的纳米柱，两个纳米柱的中心与水平方向呈不同夹角，两个纳米柱位于电介质基底上形成双柱电介质超表面；
通过调控双原子超构分子的尺寸大小与两个纳米柱的旋转角之差/之和，实现对衍射光振幅、偏振的同时独立调控；
双原子超构分子的琼斯矩阵表达式为：
在上式中，ψ1和ψ2分别是两个纳米柱中心与水平方向的夹角，p1和p2分别是两个纳米柱中心与电介质边界的距离，p0则是双原子超构单元的周期大小；
当p1＝p0/4，p2＝3p0/4时，将上式化简得到：
ψ+＝ψ1+ψ2，ψ-＝ψ1-ψ2，分别表示两个纳米柱的转角和、转角差；
当线偏振光入射时，输出光场也是线性偏振的，并且它的振幅和偏振角分别由转角差ψ-和转角和ψ+独立调控；
将自由度显著增强的马吕斯超构表面用于振幅与偏振角完全独立的调控；
假设超构表面的输出光场通常具有如下形式：
Ex(x,y)、Ey(x,y)表示双柱电介质超表面后的输出电场，A(x,y)表示衍射光振幅，在通过取向角为θ的偏振片分析仪后，最终的输出光场根据马吕斯定律获得，即：
在目前的振幅与偏振联合调控情况下，Ex(x,y)与Ey(x,y)通过以下两个自由度ψ+和ψ-组成的表达式确定：
sinψ-(x,y)cosψ+(x,y)＝Ex(x,y)
sinψ-(x,y)sinψ+(x,y)＝Ey(x,y)
基于以下两个明确的表达式，即基于两个完整的独立灰度图像来设计空间变化的几何参数：
tanψ+(x,y)＝Ey(x,y)/Ex(x,y)
这样的调制方案增加了马吕斯超构表面的自由度；
所述基于双柱电介质超表面的偏振器件通过如下方法实现任意偏振角图像复用和任意偏振角图像隐藏：
在任意偏振角图像复用中，假设两个独立的灰度图像分别为E1(x,y)和E2(x,y)，并且在两个任意偏振角θ1和θ2下复用，则将两个独立的灰度图像在xoy坐标中表示为：
当偏振片分析仪后的角度为θ时的输出强度为：
当θ＝θ1时，当θ＝θ2时，|/>以预先设计的偏振角度完成不同图像的重建，当θ1＝0°且θ＝90°时，则变成正交偏振复用；
对于任意偏振角图像隐藏功能，按照以下方式将一幅图像E1(x,y)编码为直接显示的灰度图像，将另一幅图像E2(x,y)编码的图像隐藏在任意偏振片分析仪的角度为θ0时，则将图像E1(x,y)和E2(x,y)在xoy坐标中表示为：
没有添加偏振片分析仪的输出光场是图像E1(x,y)，而有偏振片分析仪的输出场是：
当θ＝θ0时，隐藏的图像E2(x,y)出现：
2.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，所述的电介质基底、电介质纳米柱阵列的厚度均为纳米量级。
3.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，所述的电介质基底材料为二氧化硅，所述的电介质纳米柱阵列材料为二氧化钛。
4.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，调整双原子超构分子的周期大小、两纳米柱与电介质基底的相对位置、两纳米柱的尺寸大小和旋转角度，双柱电介质超表面在可见光范围内抑制0级反射、-1级反射、0级透射，并将-1级透射效率最大提高到95％以上。
5.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，在双柱电介质超表面的单个周期内，两纳米柱的中心分别位于周期长度的四分之一和四分之三处时，两个纳米柱的旋转角之差ψ-＝ψ1-ψ2与衍射光振幅A呈正弦型调制关系：A＝sinψ-。
6.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，在双柱电介质超表面的单个周期内，两个纳米柱的中心分别位于周期长度的四分之一和四分之三处时，两个纳米柱的旋转角之和ψ+＝ψ1+ψ2与衍射光偏振方向呈线性调制关系：(Ex,Ey)～(cosψ+,sinψ+)。
7.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，通过双原子超构分子与预设图像上单个像素点的一一对应，逐点配置输出光束的振幅和偏振的解析形式：
8.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，基于双柱电介质超表面的偏振器件的像素大小为纳米量级。
9.根据权利要求1所述的基于双柱电介质超表面的偏振器件，其特征在于，纳米柱的尺寸为纳米量级。
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Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN114114720B (zh) * | 2021-12-08 | 2023-08-25 | 华中科技大学 | 一种基于超构表面的全维度光场调控方法和器件 |
| CN114609717B (zh) * | 2022-03-21 | 2023-05-02 | 大连理工大学 | 一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器 |
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| CN115542432B (zh) * | 2022-09-23 | 2023-06-30 | 成都信息工程大学 | 一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107991771A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-05-04 | 北京理工大学 | 一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法 |
| CN108490603A (zh) * | 2018-03-09 | 2018-09-04 | 北京理工大学 | 基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法 |
| CN109709784A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-03 | 暨南大学 | 超表面彩色矢量复振幅全息元件 |
| WO2019136166A1 (en) * | 2018-01-04 | 2019-07-11 | President And Fellows Of Harvard College | Angle-dependent or polarization-dependent metasurfaces with wide field of view |
| CN110967843A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-07 | 武汉大学 | 一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法 |
| CN111007585A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-14 | 武汉大学 | 消除零级的超表面正弦光栅及其设计方法 |
| CN111210713A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-05-29 | 武汉大学 | 基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法 |
| CN111897036A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-11-06 | 南开大学 | 消色差微透镜阵列超表面 |
| CN111984209A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-11-24 | 暨南大学 | 可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法 |
| CN112508185A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-03-16 | 深圳技术大学 | 基于衍射深度神经网络的光学轨道角动量模式光学系统 |
| CN112904469A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-06-04 | 暨南大学 | 一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9507064B2 (en) * | 2014-07-27 | 2016-11-29 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Dielectric metasurface optical elements |
| WO2019126656A2 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University | On-chip polarization detection and polarimetric imaging |
-
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Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107991771A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-05-04 | 北京理工大学 | 一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法 |
| WO2019136166A1 (en) * | 2018-01-04 | 2019-07-11 | President And Fellows Of Harvard College | Angle-dependent or polarization-dependent metasurfaces with wide field of view |
| CN108490603A (zh) * | 2018-03-09 | 2018-09-04 | 北京理工大学 | 基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法 |
| CN109709784A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-03 | 暨南大学 | 超表面彩色矢量复振幅全息元件 |
| CN111007585A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-14 | 武汉大学 | 消除零级的超表面正弦光栅及其设计方法 |
| CN110967843A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-07 | 武汉大学 | 一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法 |
| CN111210713A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-05-29 | 武汉大学 | 基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法 |
| CN111897036A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-11-06 | 南开大学 | 消色差微透镜阵列超表面 |
| CN111984209A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-11-24 | 暨南大学 | 可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法 |
| CN112508185A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-03-16 | 深圳技术大学 | 基于衍射深度神经网络的光学轨道角动量模式光学系统 |
| CN112904469A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-06-04 | 暨南大学 | 一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 多维度超表面及其在信息加密防伪上的应用;邓子岚，涂清安，李向平;《红外与激光工程》;20200930;第49卷(第9期);全文 * |
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