CN113556494B - 基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，通过精确控制飞秒激光的脉冲能量，加工出不同占空比的改性光栅结构，从而利用光栅结构色调控了图案亮度方面的显示，同时也改变了GST的晶化程度，从而改变了GST材料本征的显示灰度，实现了多阶亮度图像与灰度图像的兼容显示；该方法灵活性高，集成性高，降低了加工周期，提高了生产效率。

Description

基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法

技术领域

本发明涉及超快激光应用技术领域，尤其涉及基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法。

背景技术

显示器作为视觉信息的主要载体一直在现代生活中占据着极其重要地位，它的应用彻底改变了人类信息的传播方式，为良好的人机交互提供了至关重要的方式。随着多媒体时代的到来，人们对低功耗、高分辨率的便携式显示设备的需求越来越急切。基于相变材料的显示技术由于其超快切换速度、高分辨率、低功耗和非易失性等卓越性能组合，受到了国内外的广泛关注，有着意义深远的应用前景。结构色在自然界中普遍存在，如蝴蝶翅膀、植物叶片、变色龙皮肤等有着各种炫丽的颜色，它们表面的复杂微纳结构和光相互作用引起的干涉、衍射、散射等效应来调控光的传播，以实现颜色的显示，因此也多广泛应用于显示器中。随着纳米加工和表征技术的快速发展，薄膜谐振腔、亚波长光栅、等离子超表面等纳米结构引起了越来越多的关注。这些器件展现了独特的光学特征，与当前的显示和成像技术具有高度的兼容性。

亚波长光栅是微纳结构亚波长光学元件的一种典型结构，是近年来迅速发展起来的具有独特光学性能的光学器件。当光与亚波长周期结构相互作用时，会产生许多新的光学效应。亚波长微纳光学结构器件正在成为新一代光电显示、光集成、成像信息技术和新能源等领域中的关键器件，已被列入国家科技中长期发展规划。

多脉冲超快激光辐照相变材料会在材料表面产生周期大小近似入射激光的周期性表面亚波长改性光栅结构，这种结构的产生是一种自组装效应，是由于入射激光和相变材料表面的等离子体相互干涉形成的。光栅结构由晶态条纹和非晶态条纹交替排列组成，由于飞秒激光作用在相变材料GST表面，因而GST发生晶化使得其密度增大，因此晶态条纹相比非晶态条纹有体积上的凹陷，正是由于这种纳米量级的收缩才使得改性光栅具有衍射效应，在图像显示上有着广泛应用。目前，加工亚波长光栅结构常用的办法有聚焦离子束切割、电子束光刻以及光刻技术，但这些方法存在加工周期长、灵活性差、需掩膜板且加工流程复杂等缺陷，如文献“All Dielectric Transmissive Structural Multicolor PixelIncorporating a Resonant Grating in Hydrogenated Amorphous Silicon”中，IshworKoirala等人采用电子束光刻的办法，通过定制不同类型的掩膜板来制备亚波长光栅结构，但这种加工方法流程复杂、生产周期长且效率低。相比之下，飞秒激光在烧蚀阈值以下辐照GST材料表面能够诱导非晶态GST迅速晶化，产生多种形态的结构一致性、均匀性极好的晶态周期条纹，灵活性高、加工流程简单且效率高。

发明内容

本发明提供的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，主要解决的技术问题是：如何利用相变材料实现图像多阶存储显示。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，包括：

获取待处理灰度图像，以及定义的K个灰度值范围；所述K大于等于2；

基于所述待处理灰度图像的各像素点灰度值，以及定义的各所述灰度值范围，将所述待处理灰度图像划分为N部分图案，所述N部分图案叠加到一起即可得到所述待处理灰度图像；所述N大于等于2；

针对第一部分图案，调节激光脉冲能量为E₁，基于所述第一部分图案的像素坐标位置对应在具有相变材料的加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C₁、占空比为X₁的改性光栅结构，以实现对所述第一部分图案加工存储至所述加工样本表面；

针对第二部分图案，调节激光脉冲能量为E₂，基于所述第二部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C₂、占空比为X₂的改性光栅结构，以实现对所述第二部分图案加工存储至所述加工样本表面；

……

针对第N部分图案，调节激光脉冲能量为E_N，基于所述第N部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C_N、占空比为X_N的改性光栅结构，以实现对所述第N部分图案加工存储至所述加工样本表面；所述脉冲能量E1＞所述脉冲能量E₂＞……＞所述脉冲能量E_N；0＜所述占空比X₁＜所述占空比X₂＜……＜所述占空比X_N≤100％；所述晶化程度C₁>C₂>C₃>…>C_n；至此，完成对所述待处理灰度图像的N阶灰度(基于材料本征性质)与亮度(基于光栅结构色)的兼容存储显示于所述加工样本表面。

进一步的，还包括：当待处理图像为彩色图像时，将所述彩色图像进行灰度转换得到所述待处理灰度图像。

进一步的，所述基于所述待处理灰度图像的各像素点灰度值，以及定义的各所述灰度值范围，将所述待处理灰度图像划分为N部分图案包括：

针对所述待处理灰度图像的每个像素点，根据该像素点的灰度值确定其对应所属的灰度值范围，将属于相同灰度值范围的所有像素点合并得到其中某部分图案，从而将所述待处理灰度图像划分为N部分图案。

进一步的，所述基于所述待处理灰度图像的各像素点灰度值，以及定义的各所述灰度值范围，将所述待处理灰度图像划分为N部分图案包括：

按照预设图像单元将所述待处理灰度图像划分为M个图像块；所述M大于所述N；针对各所述图像块，基于该图像块内所有像素点的平均灰度值，确定该图像块所属的灰度值范围；将属于相同灰度值范围的所有图像块合并得到其中某部分图案，从而将所述待处理灰度图像划分为N部分图案。

进一步的，所述预设图像单元为像素条，所述像素条为宽度为1个像素点，长度为所述待处理灰度图图像的宽度或长度的图像单元。

进一步的，所述占空比X_N为100％。

进一步的，所述E_N、……、E₂、E₁，是通过将E_N与E₁之间的脉冲能量进行N等分之后分别对应得到的。

进一步的，在存储某部分图案时保持激光偏振方向与直写方向的夹角固定不变；扫描速度保持固定为500μm/s；激光脉冲频率选用1000Hz；所述加工样品通过将相变材料采用磁控溅射的方式镀在单晶硅(100)上，相变材料薄膜厚度为200nm。

进一步的，还包括：

针对第一部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α₁；

针对第二部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α₂；

……

针对第N部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α_N；所述α₁，所述α₂，……和所述α_N的取值范围为[-90°，90°]。

本发明还提供一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，包括：

获取待处理灰度图像，以及定义的K个灰度值范围；所述K大于等于2；

基于所述待处理灰度图像的各像素点灰度值，以及定义的各所述灰度值范围，将所述待处理灰度图像划分为N部分图案，所述N部分图案叠加到一起即可得到所述待处理灰度图像；所述N大于等于2；

针对第一部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β₁，基于所述第一部分图案的像素坐标位置对应在具有相变材料的加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ₁的改性光栅结构；

针对第二部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β₂，基于所述第二部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ₂的改性光栅结构；

……

针对第N部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β_N，基于所述第N部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ_N的改性光栅结构；所述β₁、所述β₂、……所述β_N取值范围为[-90°,90°]，且各不相同；由于各部分图案的光栅传递方向各不相同，其对应的可见光共振响应峰不同，以实现对所述待处理灰度图像的多阶色彩存储显示。

本发明的有益效果是：

根据本发明提供的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，通过飞秒激光诱导相变材料GST产生改性周期性光栅结构，可以灵活加工出不同形态的改性光栅结构，并应用于多阶图像存储显示。本发明从飞秒激光直写加工入手，实现了多种形态的亚波长光栅结构加工的高效性以及图案显示的灵活性，克服了传统电子束光刻、离子束切割等加工方式中灵活性差、加工过程复杂、加工周期长以及加工效率低等缺点。通过精确控制飞秒激光的脉冲能量，加工出不同占空比的改性光栅结构，从而利用光栅结构色调控了图案亮度方面的显示，同时也改变了GST的晶化程度，从而改变了GST材料本征的显示灰度，实现了多阶亮度图像与灰度图像的兼容显示。

通过精确控制飞秒激光的偏振方向，调控了所加工光栅的偏振方向，进而调控了共振峰波长位置，从而利用光栅结构色调控了图案色调上的显示，实现了多阶色调图案展示的应用。本方案灵活性高，集成性高，实现了“一器多用”，降低了加工周期，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的飞秒激光加工用于图像显示的光栅结构的加工光路图；

图2为本发明实施例一的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法流程示意图；

图3为本发明实施例一的灰度概率密度曲线示意图；

图4为本发明实施例一的图案划分示意图；

图5为本发明实施例一的飞秒激光直写加工不同占空比光栅的加工流程示意图；

图6为本发明实施例一的飞秒激光直写加工不同偏振方向光栅加工流程示意图；

图7为本发明实施例一的飞秒激光直写加工不同偏振方向光栅加工方法流程示意图；

图8为本发明实施例二的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法流程示意图；

图9为本发明实施例二的飞秒激光直写加工不同偏振方向光栅加工流程示意图；

附图标记说明：1-飞秒激光器；2-偏振片；3-机械开关；4-衰减片；5-半波片；6-反射镜；7-分束镜；8-照明白光源；9-聚焦透镜；10-成像CCD；11-聚焦物镜(物镜或平凸透镜)；12-加工样本；13-六维平移台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

为了解决如何利用相变材料实现图像多阶存储显示的问题，本实施例提供一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，为实现上述图像存储方法，本发明采用了如图1所示的具体加工光路，请参见图1，其加工光路为：飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过偏振片2、机械开关3、衰减片4以及半波片5之后，被反射镜6反射后经过聚焦物镜11聚焦后到加工样本12表面，待加工样本12固定在六维平移台13上；照明白光源8经过分束镜7、反射镜6以及聚焦物镜11照射到样品12表面，并经表面反射再次经过聚焦物镜11、反射镜6和分束镜7，被分束镜7反射后经聚焦透镜9后入射到成像CCD10中。

实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为1000Hz；扫描速度设置为500μm/s；实验中待加工样品为GST材料(厚度为200nm)采用磁控溅射的方式镀在单晶硅(100)上。相变材料包括锗锑碲合金Ge2Sb2Te5。

本发明为了对利用相变材料实现图像多阶存储显示，提出了基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法。在加工方式上，采用飞秒激光诱导表面周期性结构(LIPPS)的加工方法，通过这种自组装的过程使得GST材料晶化区域密度增大导致体积收缩，从而在GST材料表面形成无破坏性的均匀性、一致性好的改性周期性条纹，实现光栅结构的加工；在图像灵活可控方面，通过对所加工图案进行多阶分区域识别，分别将所识别出的图像生成G代码程序，联动所加工平移台，实现加工图像灵活可控；在图像多阶显示方面，通过对飞秒激光脉冲能量以及偏振方向的精准控制，精确地实现对改性光栅占空比、GST材料晶化程度以及晶态条纹方向的控制，从而灵活地调控了光栅结构色效应的亮度、GST材料本征的灰度以及光栅结构反射光谱得到共振峰位置，实现了图像灰度、亮度、色彩的多阶显示。值得注意的是，在调控改性光栅占空比的同时，也调控了GST材料的晶化程度，在显示方面可以做到一步加工完成亮度与灰度的兼容显示。

请参见图2，本发明的目的是通过以下技术来实现的。

S21、获取待处理灰度图像，以及定义的K个灰度值范围；K大于等于2。

在本发明的其他实施例中，当待处理图像为彩色图像时，需要将彩色图像进行灰度转换，将转换得到的灰度图像作为待处理灰度图像。应当理解的是，灰度转换方式可以采用现有任意方式，对此不做限制。

本领域技术人员知晓的是，灰度值理论取值范围为0～255，是由“黑”到“白”的程度表示。

本实施例中，当需要将待处理灰度图像存储至加工样品上时，可基于存储需求定义若干灰度值范围。

其中定义灰度值范围的方式包括但不限于如下几种：

1、系统预设若干种灰度值范围

例如，系统直接预先设置4个灰度值范围，分别为：

第一灰度值范围：0～63；

第二灰度值范围：64～127；

第三灰度值范围：128～191；

第四灰度值范围：192～255。

针对任意待处理灰度图像，直接基于该预设灰度值范围进行图案划分。

2、基于当前待处理灰度图像自定义灰度值范围

若需要体现出待处理图像更多的图像信息，可对系统进行自定义设置，以设置更多数量的灰度值范围，例如设置16阶灰度(即16灰阶)，每个灰阶包含16个灰度值，例如第一灰阶为0～15，第二灰阶为16～31,以此类推，第16灰阶的灰度取值为240～255。

当然，若不需要体现待处理图像更多的图像信息，则可以设置较少数量的灰度值范围。应当理解的是，本方案实现图像存储体现出的图像信息多与少，还与待处理灰度图像本身灰度分布有关，例如本身灰度分布较为集中，即使定义较多数量的灰度值范围，也很难体现较多的图像信息，因为灰度分布较为集中，其对应所属的灰度值范围也会比较集中，因此也就无法通过更多的脉冲能量写入图像，体现其图像信息。

3、系统基于待处理灰度图像自动设置灰度值范围

为了更精准地体现待处理灰度图像的相关信息，使得最终存储显示的图像与实际图像更接近，本方案还可基于待处理灰度图像的灰度分布自动设置灰度值范围。

具体的，统计待处理灰度图像的所有像素点的灰度值，绘制灰度概率密度曲线，请参见图3所示，将灰度概率密度曲线上的每一个波谷作为分割点，以灰度概率密度曲线的起始点g0和终点g4作为端点，这里波谷分别有g1、g2、g3，自动设置灰度值范围包括[g0,g1)、[g1,g2)、[g2,g3)、[g3,g4]。

在可更精准表示待处理灰度图像的图像信息时，还可以减少定义的灰度值范围数量，减少系统数据处理量。

S22、基于待处理灰度图像的各像素点灰度值，以及定义的各灰度值范围，将待处理灰度图像划分为N部分图案，N部分图案叠加到一起即可得到待处理灰度图像；N大于等于2。

本实施例提供如下两种图案划分方式：

1、针对待处理灰度图像的每个像素点，根据该像素点的灰度值确定其对应所属的灰度值范围，将属于相同灰度值范围的所有像素点合并得到其中某部分图案，从而将该待处理灰度图像划分为N部分图案。

例如，一幅待处理灰度图像包括100个像素点，其中第1-20个像素点的像素值在0～63范围内，则将该20个像素点构成的图案，作为该待处理灰度图像的第一部分图案；假设其中第21-60个像素点的像素值在64～127范围内，则将该40个像素点构成的图案，作为该待处理灰度图像的第二部分图案；另外其中第61-100个像素点的像素值在128～191范围内，则将该40个像素点构成的图案，作为该待处理灰度图像的第三部分图案。

2、按照预设图像单元将待处理灰度图像划分为M个图像块；M大于N；针对各图像块，基于该图像块内所有像素点的平均灰度值，确定该图像块所属的灰度值范围；将属于相同灰度值范围的所有图像块合并得到其中某部分图案，从而将待处理灰度图像划分为N部分图案。

请参见图4，待处理灰度图像大小为10*10个像素，其中预设图像单元为像素条，像素条宽度为1个像素，长度为待处理灰度图像的长度或宽度，这里待处理灰度图像的长度/宽度为10个像素点，这里利用预设图像单元可将待处理灰度图像划分为10个1*10的图像块，针对每一个图像块，计算其中的10个像素点的平均像素值，基于平均像素值确定所属的灰度值范围，假设第一个图像块、第二个图像块，第五个图像块均对应灰度值范围1，则将这3个图像块作为第一部分图像；假设第三、四、六个图像块对应灰度值范围2，则将这3个图像块作为该待处理灰度图像的第二部分图像；假设第七、八、九、十个图像块均对应灰度值范围3，则将这4个图像块作为该待处理灰度图像的第三部分图像。

S23、针对第一部分图案，调节激光脉冲能量为E₁，基于第一部分图案的像素坐标位置对应在具有相变材料的加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C₁、占空比为X₁的改性光栅结构，以实现对第一部分图案加工存储至加工样本表面；

S24、针对第二部分图案，调节激光脉冲能量为E₂，基于第二部分图案的像素坐标位置对应在加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C₂、占空比为X₂的改性光栅结构，以实现对第二部分图案加工存储至加工样本表面；

……

S25、针对第N部分图案，调节激光脉冲能量为E_N，基于第N部分图案的像素坐标位置对应在加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C_N、占空比为X_N的改性光栅结构，以实现对第N部分图案加工存储至加工样本表面；脉冲能量E1＞脉冲能量E₂＞……＞脉冲能量E_N；0＜占空比X₁＜占空比X₂＜……＜占空比X_N≤100％；晶化程度C₁>C₂>C₃>…>C_n；至此，完成对待处理灰度图像的N阶灰度与亮度的兼容存储显示于加工样本表面。

应当理解的是，步骤S23～S25执行顺序并不限制。

在激光直写条件下，激光脉冲与被加工样品，即GST作相对移动，设定激光脉冲能量、脉冲频率以及移动平台移动速度(扫描速度)，并在加工过程中保持脉冲频率，扫描速度和方向保持一致，不同的脉冲能量能够在GST材料表面产生不同形态的表面周期性微纳结构。

请参见图5，当激光脉冲能量在低于完全改性阈值(通常约为0.7倍烧蚀阈值E₀)的能量下，产生一个完整的晶态区域，此时并没有产生周期性改性光栅结构(即占空比X₀为0)；当激光脉冲能量降低到E_n(E_n<E₀)时，相变材料表面会产生完整的周期性改性光栅结构，即占空比为100％。将E₀到E_n之间的能量进行n等分，即E₀>E₁>E₂>E₃>…>E_n。由于加工激光为高斯激光，激光光斑能量中间高四周低，因此周期性改性光栅结构从垂直于扫描方向的直写区域的两端开始产生。随着激光脉冲能量的降低，激光直写的线条总宽度降低，但是周期性改性光栅结构的宽度所占整条线宽的比值X(0<X<1)增大，即占空比逐渐增大，中间完全晶态区域占比降低。此时，定义在E_x能量条件下产生的表面结构的改性光栅占空比为X_x，则可知X₀<X₁<X₂<X₃<…<X_n。随着能量的降低，改性光栅占空比逐渐增加，因此基于光栅结构色效应逐渐增大，即在强光照射条件下所对应的亮度L逐渐增加，即L₀<L₁<L₂<L₃<…<L_n。不同激光能量直写加工GST材料会产生不同占空比的改性光栅结构，其晶态程度不同，在可见光波段其GST本征的灰度显示也不同，晶化程度越高，则灰度值越高(越接近白色)。由于GST材料的折射率(n值)在波长大于1200nm的情况下趋于稳定，且随着晶化程度的提升，n值逐渐变大。因此我们根据1300nm处波长的n值，定义用能量E_x加工的改性光栅结构平均的晶化程度为C_x，则C₀>C₁>C₂>C₃>…>C_n，由此可见灰度显示的灰度值G₀>G₁>G₂>G₃>…>G_n。

综上可知，飞秒激光与相变材料作用过程中，产生了不同占空比改性光栅结构的同时，也产生了不同晶化程度的GST改性区域，即在能量E_x的条件下，产生了改性光栅占空比为X_x，其对应光栅结构色亮度为L_x，同时也产生了晶化程度为C_x的表面区域，其对应的灰度值为G_x，实现了相变材料表面结构(形)与材料性质(性)的协同调控。

在图像多阶显示方面，基于像素条的概念，通过对飞秒激光脉冲能量的精准控制，精确地实现对改性光栅占空比和GST材料晶化程度的协同控制，从而灵活地调控了光栅结构色效应的亮度和GST材料本征的灰度，实现了可见光波段n阶亮度与灰度的图像兼容显示。

请参见图6，进一步的，多脉冲超快激光辐照相变材料会在材料表面产生周期大小近似入射激光的周期性表面亚波长改性光栅结构，这种结构的产生是一种自组装效应，是由于入射激光和相变材料表面的等离子体相互干涉形成的，其入射激光的偏振方向对于其产生的光栅结构周期传播的方向有着很大的影响。取激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α，半波片的角度β，因为Δα＝2Δβ，所以可以直接通过改变半波片的角度改变激光的偏振方向，从而改变α的大小。取α＝-90°～90°，将α进行m等分，记为α₁，α₂，α₃，…，α_m。在能量为E_n的条件下对GST表面进行直写加工，通过改变偏振方向，分别为α₁，α₂，α₃，…，α_m，可以对应产生m种不同周期传递方向的光栅结构。由于光栅周期传递方向各不相同，因此在自然光照(弱光)以及统一观测角度条件下，其对应的可见光共振响应峰不同(即视觉上观察到的颜色不同)，因此可以观测到m种不同的颜色。基于此，在图像多阶显示方面，采用像素条的概念，通过对飞秒激光脉冲偏振方向的精准控制，精确地实现对光栅周期传递方向的控制，从而灵活地调控了光栅结构反射光谱得到共振响应峰位置，在同一观测角度下实现了多种颜色的展示，实现了m阶颜色的图像显示。

下面具体的示例对本发明做进一步的介绍。

亚波长光栅的结构色跟其自身结构有着很大的关系。在强光源(如手电筒)入射条件下，当光栅结构所占比例大时，即占空比大时，其反射的颜色亮，当光栅结构所占比例小时，即占空比小时，其反射的颜色暗。自然光照射条件下，GST材料随着其晶化程度的逐渐增加而展现出灰度值的增加，即晶化程度越高，其灰度值越大(呈现出的颜色越偏白)，晶化程度越低，其灰度值越小(呈现出的颜色越偏灰)。基于此，本实施例提供一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，以四阶显示为例。

取周期性改性光栅结构刚从直写区域两端产生光栅时对应的能量为E₁，取产生完整的周期性改性光栅结构时的能量为E₄，通过精确地控制激光脉冲能量，使得产生四阶占空比的光栅结构，分别为10％(E₁)、50％(E₂)、80％(E₃)以及100％(E₄)，其晶化程度也随之降低，产生四种晶化程度的GST区域，分别为G₁(E₁)、G2(E₂)、G₃(E₃)以及G₄(E₄)。将待处理灰度图像，定义4个灰度值范围，将待处理灰度图像按照灰度值的范围进行划分，假设得到4个图案，为与平移台联动实现四阶图案的加工，可基于各图案的像素坐标，生成这四个图案的G代码。

请参见图7，本实施例的具体加工步骤如下：

S71、调整光路，确保激光入射方向与加工样品的表面垂直；

S72、调整半波片，使得激光偏振方向与扫描速度方向的夹角α为90°；调整衰减片，使得飞秒激光的脉冲能量略低于完全改性阈值(即E₁略低于E₀)；

S73、将移动平台与激光焦点的相对速度(扫描速度)设置为500μm/s；

S74、移动平移台，通过调节旋转衰减片使得激光脉冲能量调节至E₁，并导入第一个图案的G代码程序，产生占空比为10％的改性光栅结构，以实现第一部分图案的加工；使得第一部分图案具有对应的灰度和亮度信息；

S75、重复上述步骤S74，将脉冲能量分别调到E₂、E₃、E₄，并分别对应不同图案的G代码程序，以此可以加工出4种不同占空比的改性光栅结构，每一部分图案都具有不同的灰度和亮度信息，完成整副图案的加工存储显示。

在本发明的其他实施例中，在基于脉冲能量调控实现灰度、亮度等图像信息加工写入过程中，还可同时通过调控激光偏振方向与扫描速度方向的夹角，实现色彩写入存储。具体的，继续以上述4阶图像加工为例，包括：

针对第一部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α₁；

针对第二部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α₂；

……

针对第N部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α_N；其中α₁，α₂，……和α_N的取值范围为[-90°，90°]，且各不相同。

由于本实施例所涉及的不同占空比改性光栅加工方法为基于飞秒激光脉冲能量的调控，下面具体介绍这种方式的实施方法：

在一定的扫描速度(500μm/s)下，通过控制飞秒激光脉冲能量的大小，进而调节材料表面单位面积内沉积的能量，来实现不同占空比改性光栅结构的调控。具体为激光经过100mm平凸透镜聚焦到样品表面，在脉冲重复频率为1000Hz的情况下，激光能量从E₁一直降低到E₄，保持激光的偏振方向与扫描方向垂直，使得在被激光直写后的GST表面产生不同占空比的改性光栅结构，同时也产生了不同晶化程度的GST改性区域。随着能量的降低，占空比，即光栅占总线宽的比值越来越高，则在强光入射的条件下结构色的效应越强，反射的颜色也越亮；GST的晶化程度降低，则在自然光照射条件下，其灰度显示的灰度值越大(颜色越白)，为多阶亮度与灰度图案兼容显示提供了可能性。

实施例2：

在同一观测角度的条件下，光栅周期的传递方向对于其反射率峰值位置有着很大的影响。在LED光源照射条件下，相同观测角度所看到不同周期传递方向的光栅的颜色不同。基于此，本实施例提供一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，请参见图8，包括：

S81、获取待处理灰度图像，以及定义的K个灰度值范围；K大于等于2；

S82、基于待处理灰度图像的各像素点灰度值，以及定义的各灰度值范围，将待处理灰度图像划分为N部分图案，N部分图案叠加到一起即可得到待处理灰度图像；N大于等于2；

S83、针对第一部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β₁，基于第一部分图案的像素坐标位置对应在具有相变材料的加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ₁的改性光栅结构；

S84、针对第二部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β₂，基于第二部分图案的像素坐标位置对应在加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ₂的改性光栅结构；

……

S85、针对第N部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β_N，基于第N部分图案的像素坐标位置对应在加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ_N的改性光栅结构；β₁、β₂、……β_N取值范围为[-90°,90°]，且各不相同；由于各部分图案的光栅传递方向各不相同，其对应的可见光共振响应峰不同，以实现对待处理灰度图像的多阶色彩存储显示。

以四阶显示为例：

取激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α，通过改变半波片的角度改变激光的偏振方向，从而改变α的大小。分别取为α为0°，10°，20°和30°并分别记为α₁，α₂，α₃和α₄，采用能量E₄在GST表面进行直写加工并产生四种不同周期传递方向的光栅结构。将要加工的图案图像进行灰度转换，定义4个灰度值范围，将所加工图案按照灰度值的范围划分为4个图案，并生成这4个图案的G代码，与平移台联动实现四阶图案的加工。

请参见图9，本实施例的具体加工步骤如下：

S91、调整光路，确保激光入射方向与加工样品的表面垂直；

S92、调整半波片，使得激光偏振方向与扫描速度方向的夹角α为0°；调整衰减片，使得飞秒激光的脉冲能量为E₄；

S93、将移动平台与激光焦点的相对速度(扫描速度)设置为500μm/s；

S94、导入第一个图案的G代码程序，产生激光偏振方向与扫描速度方向夹角α为0°的改性光栅结构，以实现第一部分的图案加工；

S95、重复上述步骤S94，将激光偏振方向与扫描速度方向夹角分别调到α₂，α₃和α₄，并分别对应不同图案的G代码程序，以此可以加工出另外3种不同周期传递方向的改性光栅结构，完成整副图案的加工。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，包括：

获取待处理灰度图像，以及定义的K个灰度值范围；所述K大于等于2；

按照预设图像单元将所述待处理灰度图像划分为M个图像块；针对各所述图像块，基于该图像块内所有像素点的平均灰度值，确定该图像块所属的灰度值范围；将属于相同灰度值范围的所有图像块合并得到其中某部分图案，从而将所述待处理灰度图像划分为N部分图案，所述N部分图案叠加到一起即可得到所述待处理灰度图像；所述N大于等于2；所述M大于所述N；所述预设图像单元为像素条，所述像素条为宽度为1个像素点，长度为所述待处理灰度图图像的长度的图像单元；

针对第一部分图案，调节激光脉冲能量为E₁，基于所述第一部分图案的像素坐标位置对应在具有相变材料的加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C₁、占空比为X₁的改性光栅结构，以实现对所述第一部分图案加工存储至所述加工样品表面；

针对第二部分图案，调节激光脉冲能量为E₂，基于所述第二部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C₂、占空比为X₂的改性光栅结构，以实现对所述第二部分图案加工存储至所述加工样品表面；

……

针对第N部分图案，调节激光脉冲能量为E_N，基于所述第N部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面，且以固定扫描速度进行加工，得到晶化程度为C_N、占空比为X_N的改性光栅结构，以实现对所述第N部分图案加工存储至所述加工样品表面；所述脉冲能量E1＞所述脉冲能量E₂＞……＞所述脉冲能量E_N；0＜所述占空比X₁＜所述占空比X₂＜……＜所述占空比X_N≤100％；所述晶化程度C₁>C₂>C₃>…>C_n；至此，完成对所述待处理灰度图像的N阶灰度与亮度的兼容存储显示于所述加工样品表面。

2.如权利要求1所述的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，还包括：当待处理图像为彩色图像时，将所述彩色图像进行灰度转换得到所述待处理灰度图像。

3.如权利要求1所述的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，所述占空比X_N为100％。

4.如权利要求3所述的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，所述E_N、……、E₂、E₁，是通过将E_N与E₁之间的脉冲能量进行N等分之后分别对应得到的。

5.如权利要求1所述的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，在存储某部分图案时保持激光偏振方向与直写方向的夹角固定不变；扫描速度保持固定为500μm/s；激光脉冲频率选用1000Hz；所述加工样品通过将相变材料采用磁控溅射的方式镀在单晶硅(100)上，相变材料薄膜厚度为200nm。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，还包括：

针对第一部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α₁；

针对第二部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α₂；

……

针对第N部分图案，对其进行加工过程中，保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为α_N；所述α₁，所述α₂，……和所述α_N的取值范围为[-90°，90°]。

7.一种基于相变材料物相结构超快激光协同调制的图像存储方法，其特征在于，包括：

获取待处理灰度图像，以及定义的K个灰度值范围；所述K大于等于2；

按照预设图像单元将所述待处理灰度图像划分为M个图像块；针对各所述图像块，基于该图像块内所有像素点的平均灰度值，确定该图像块所属的灰度值范围；将属于相同灰度值范围的所有图像块合并得到其中某部分图案，从而将所述待处理灰度图像划分为N部分图案，所述N部分图案叠加到一起即可得到所述待处理灰度图像；所述N大于等于2；所述M大于所述N；所述预设图像单元为像素条，所述像素条为宽度为1个像素点，长度为所述待处理灰度图图像的长度的图像单元；

针对第一部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β₁，基于所述第一部分图案的像素坐标位置对应在具有相变材料的加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ₁的改性光栅结构；

针对第二部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β₂，基于所述第二部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ₂的改性光栅结构；

……

针对第N部分图案，调节并保持激光偏振方向与扫描速度方向的夹角为β_N，基于所述第N部分图案的像素坐标位置对应在所述加工样品表面进行加工，得到周期传递方向为γ_N的改性光栅结构；所述β₁、所述β₂、……所述β_N取值范围为[-90°,90°]，且各不相同；由于各部分图案的光栅传递方向各不相同，其对应的可见光共振响应峰不同，以实现对所述待处理灰度图像的多阶色彩存储显示。

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