CN114035412B - 基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，属于微纳光学和全息显示应用技术领域。磁光超表面是由金属纳米阵列‑磁光膜‑金属膜‑衬底构成。本发明通过对磁光超表面不施加或施加外部磁场激励，使得磁光膜在无偏振转换和有偏振转换特性之间切换，通过全波矢量方法优化金属纳米阵列的单元尺寸和其他结构参数，结合计算全息方法对磁光超表面进行结构设计和复振幅信息编码排布，使得磁光超表面能够实现在无外磁场作用时与入射光相同的偏振通道以及有外磁场作用时与入射光正交的偏振通道具有不同的光场振幅和相位调制，即通过控制外磁场激励以及优化结构参数能够使磁光超表面在不同偏振通道产生不同的全息分布，实现动态加密的全息显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，属于微纳光学和全息显示应用技术领域。
背景技术
超表面是一种由亚波长微纳尺寸阵列构成的二维人工平面器件，通过精心设计纳米阵列单元的几何形状、结构尺寸和空间排布，调整亚单元对入射光场的共振响应，使得超表面能够实现光场振幅、相位和偏振等物理量的灵活调控。与三维超材料相比，超表面具有超小体积、亚波长像素、设计灵活性高、易于集成及易于加工制造等优势，使得它在全息显示、光束整形、超透镜、光学信息加密与防伪、集成光通信等领域极具应用潜力。其中，超表面全息技术是利用计算全息原理将物体的振幅和相位信息编码为亚波长尺寸的超原子阵列，从而实现物体的记录和图像重构，相比于传统全息显示技术具有超小尺寸、高分辨率、宽频带、及大视场角等优势。为了提高器件的图像存储容量和安全性，多种全息复用技术例如多波长复用、偏振复用、角度复用等被提出，但是这些调制方式是无源的，无法满足超表面在实时动态光场调控应用方面的需求，因此，亟需推动超表面从被动向主动可调的方向发展。
当前构建主动可调超表面的物理调控方法，主要包括机械调控、温度调控、电压调控、电化学调控、光场调控和磁场调控等。其中，磁场调控方式因具有亚纳秒级超快响应、非接触及连续可调的优势，成为极具潜力的光场动态调控手段。磁光超表面是一种包含磁光功能材料的复合人工微结构，在外磁场作用下，由于左旋和右旋圆偏光在磁光介质中传播速率和吸收不同，二者产生一定的振幅和相位差，使得入射的线偏振光产生正交的偏振分量，偏振面发生一定角度的旋转，即产生磁光效应，因此，包含磁光材料的混合超表面可实现对光场振幅、相位和偏振态等物理量的调控。然而，对于微纳尺度的磁光材料而言，其本身产生的磁光效应较弱，将其与微纳阵列构成的超表面结合实现较强的磁光响应具有一定的挑战。因此，现有研究多采用纳米结构与各种光学共振现象如磁光等离激元共振、Fano共振和Mie共振等结合的方式提高结构的磁光性能，但大部分研究关注于如何利用周期性纳米阵列构成的磁光超表面实现光强和偏振旋转角调制效率的提高，至今未见通过对纳米阵列的形状尺寸灵活设计实现磁光超表面在磁控动态全息显示的应用报道。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，所述的磁光超表面是由金属纳米阵列-磁光膜-金属膜-衬底构成，通过对磁光超表面不施加或施加外部磁场激励，使得磁光膜在无偏振转换和有偏振转换特性之间切换，并通过全波矢量方法优化金属纳米阵列的单元尺寸和其他结构参数，结合计算全息方法对磁光超表面进行结构设计和复振幅信息编码排布，使得磁光超表面能够实现在无外磁场作用时与入射光相同的偏振通道以及有外磁场作用时与入射光正交的偏振通道具有不同的光场振幅和相位调制，进而实现动态加密的全息显示。
本发明目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，所述的磁光超表面由金属纳米阵列-磁光膜-金属膜-衬底构成，金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里-珀罗谐振腔一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率。通过改变金属纳米阵列的单元尺寸，使磁光超表面对出射光束的振幅和相位能够进行任意地调控，出射光束的相位调制范围尽量覆盖0～2π，通过施加外磁场激励使磁光膜的介电张量非对角元变为非零量，此时磁光膜具有偏振转换特性，能够使与入射光相互正交的出射偏振光束具有振幅和相位调制特性。为了使同一个磁光超表面结构在相同和正交偏振通道具有磁控动态全息显示功能，即实现偏振全息复用，首先利用全波矢量方法计算得到在有无外磁场激励时由不同几何尺寸纳米阵列构成的磁光超表面的出射光束振幅和相位分布，然后，在上述结果中挑选出无外磁场激励时相同偏振通道以及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)对应的四组结构参数。进一步，基于相位计算全息方法生成对应无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的两幅独立的全息图，并根据二值相位编码方法以及所生成的全息图各像素对应于相同和正交偏振通道的相位值组合形式进行磁光超表面阵列结构和复振幅信息的编码排布。利用计算全息方法和时域有限差分法对所设计的磁光超表面结构进行有无外磁场激励时的全息图生成及再现像重建，实现同一个磁光超表面在相同和正交偏振通道的动态全息显示。
本发明公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，包括如下步骤：
步骤一：所述的磁光超表面由金属纳米阵列-磁光膜-金属膜-衬底构成，金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里-珀罗谐振腔一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率。所述磁光超表面的顶层选择周期排布的金属矩形纳米孔结构，通过金属矩形孔几何尺寸变化产生的反射光束振幅和相位变化以及磁光材料在有无外磁场激励时的介电张量变化导致的反射光束有无偏振转换特性实现磁光超表面的主动光场调控和动态全息显示。利用全波矢量方法对结构的几何尺寸参数和入射光波长进行优化，明确金属矩形孔厚度、磁光膜厚度、金属膜厚度、单元周期和入射光波长等参数，并在上述参数固定情况下，分别计算得到在无外磁场激励和有外磁场激励条件下改变金属矩形纳米孔单元长度和宽度对应的磁光超表面在与入射光束相同和正交偏振通道出射光束振幅和相位分布。为了使磁光超表面的出射光束调制效果更好，尽量保证相同和正交偏振通道出射光束的相位调制范围覆盖0～2π，同时反射率较高。
步骤二：为了使同一个磁光超表面结构在无外磁场激励时相同偏振通道和有外磁场激励时正交偏振通道能够显示两幅独立的全息图，根据二值相位计算全息生成方法，从步骤一的全波矢量计算结果中挑选出无外磁场激励时相同偏振通道以及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)对应的四组结构参数，由于与入射光束相同和正交的偏振通道相互独立，因此所挑选的四组结构的出射光束反射率仅需在各个偏振通道尽量满足均一，此外，所挑选的四组结构在两个偏振通道对应的出射光束相位值是任意的，仅需保证在两个偏振通道的相位差值满足上述四种组合即满足要求。
步骤三：基于相位计算全息方法生成对应无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的两幅独立的全息图，并根据二值相位编码方法以及所生成的全息图各像素对应于相同和正交偏振通道的相位值组合形式将磁光超表面阵列各单元结构尺寸替换为所挑选的四组结构参数，即进行磁光超表面阵列结构设计和复振幅信息的编码排布。
步骤四：磁光超表面的磁控动态全息显示能够通过两种方法实现并验证。方法一是：根据步骤三所设计的磁光超表面阵列结构，将步骤二挑选的四组结构对应的振幅和相位信息代入各像素单元，生成振幅和相位全息，并利用计算全息方法生成磁光超表面在无外磁场激励和有外磁场激励两种情况的傅里叶平面再现像。方法二是：利用时域有限差分法对步骤三所设计的磁光超表面阵列结构进行建模仿真，分别得到在无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的傅里叶平面再现像，即通过对磁光超表面不施加或施加外部磁场激励，使得磁光膜在无偏振转换和有偏振转换特性之间切换，并基于步骤三所设计的磁光超表面阵列结构，所构建的磁光超表面能够实现在无外磁场作用时与入射光相同的偏振通道以及有外磁场作用时与入射光正交的偏振通道具有不同的光场振幅和相位调制，进而实现动态加密的全息显示。
为了简化结构，作为优选，所述磁光超表面的顶层选择周期排布的金属矩形纳米孔结构，通过金属矩形孔几何尺寸变化产生的反射光束振幅和相位变化以及磁光材料在有无外磁场激励时的介电张量变化导致的反射光束有无偏振转换特性实现磁光超表面的主动光场调控和动态全息显示。
为了降低步骤二的结构挑选难度，作为优选，相位计算全息生成方法选用二值相位计算全息生成方法。
有益效果：
1、本发明公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，所述的磁光超表面由金属纳米阵列-磁光膜-金属膜-衬底构成，由于磁光膜在有无外磁场激励时能够实现有无偏振转换特性的状态切换，同时通过优化金属纳米单元的几何尺寸能够实现反射光束振幅和相位调制，因此，通过控制外磁场激励以及进一步优化结构参数能够使磁光超表面在不同偏振通道产生不同的全息分布，实现磁控动态全息显示。
2、本发明公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，所述的磁光超表面由金属纳米阵列-磁光膜-金属膜-衬底构成，通过金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里-珀罗谐振腔，一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率，进而提高磁光超表面的出射光束调制效果。
3、本发明公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，利用磁场调控方式实现超表面的动态全息显示，由于磁场调控方式具有亚纳秒级超快响应、非接触及连续可调的优势，因此，该类型磁光超表面器件在超快速主动光场动态调控方面极具应用潜力。
4、本发明公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，利用外磁场激励提供额外的设计自由度，通过主动控制施加的外磁场激励大小实现磁光超表面在不同偏振通道的动态全息显示，因此，本发明能够应用于光学信息存储和加密领域，提高信息存储容量和安全性，并在多维度光场主动调控方面具有应用潜力。
附图说明
图1是本发明所述的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法的流程图。
图2是本发明所述的基于磁光超表面的磁控动态全息显示原理示意图。
图3是本发明所述的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法中利用全波矢量方法计算得到的不同几何尺寸金属纳米孔周期单元构成的磁光超表面在有无外磁场激励时的反射光束振幅和相位分布参数扫描结果。(a)单元结构示意图；(b)固定其他参数，改变磁光膜厚度和入射光波长，得到的正交偏振通道出射光束的反射率；(c)无外磁场作用时，改变金属纳米孔单元长度和宽度的磁光超表面在相同偏振通道的出射光束振幅分布；(d)有外磁场作用时，改变金属纳米孔单元长度和宽度的磁光超表面在正交偏振通道的出射光束振幅分布；(e)无外磁场作用时，改变金属纳米孔单元长度和宽度的磁光超表面在相同偏振通道的出射光束相位分布；(f)有外磁场作用时，改变金属纳米孔单元长度和宽度的磁光超表面在正交偏振通道的出射光束相位分布。
图4是本发明所述的基于计算结果图3所挑选的四组结构对应于相同偏振通道和正交偏振通道的振幅和相位值。横轴表示所选的四个金属纳米孔结构编号(分别为1，2，3，4)，左侧纵轴为振幅分布，右侧纵轴为相位分布，五角星和菱形分别代表相同偏振通道和正交偏振通道的出射光束的反射率，条形柱代表四个结构在相同偏振通道和正交偏振通道对应的相位值。
图5是本发明所述的将无外磁场激励时相同偏振通道和有外磁场激励时正交偏振通道的两幅独立全息图编码到同一个磁光超表面的原理示意图。
图6是本发明所述的利用数值模拟方法和时域有限差分法对所生成的磁光超表面阵列结构进行全息图重建再现像的过程示意图。
图7是本发明所述的利用计算全息方法和时域有限差分法实现的磁光超表面全息图再现像的效果示意图。(a)和(b)分别为无外磁场激励和有外磁场激励时利用计算全息方法生成的全息图再现像；(c)和(d)分别为无外磁场激励和有外磁场激励时利用时域有限差分法生成的全息图再现像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明方法进行详细说明。
如附图1所示，本实施例公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法通过对构建的磁光超表面结构不施加或施加外磁场激励使其在与入射光束相同和正交偏振通道具有动态可切换的全息显示功能，即在相同偏振通道显示字母“B”，在正交偏振通道显示图案“爱心”，能够应用于光学信息加密，原理示意图如附图2所示。具体实现方法如下：
步骤一：本实施例所述的磁光超表面由金属纳米孔阵列-磁光膜-金属膜-石英衬底构成，作为优选，顶层选择金矩形纳米孔阵列，选择金膜作为反射层，采用掺铋钇铁石榴石(Bi:YIG)构建磁光膜材料，本实施例采用时域有限差分法(FDTD)进行全波矢量计算，金的折射率采用FDTD材料库中的Palik模型，且由于外磁场沿z轴方向，则Bi:YIG的介电张量能够表示为[εxx,εxy,0；εyx,εyy,0；0,0,εzz]，由于在600nm至1100nm目标工作波段所选磁光材料的色散较弱，因此材料的介电张量分量能够取平均值，具体表示为εxx＝εyy＝εzz＝5.5-i0.0025，εxy＝-εyx＝-ig＝-0.0015-i0.01，g是磁光材料的旋光系数，决定材料的偏振转换效率，在无外磁场激励时，介电张量的非对角元变为零。基于上述材料参数，利用FDTD对结构几何尺寸参数和入射光波长进行优化，所述的入射光沿x轴方向偏振，针对附图3(a)所示的单元周期结构进行参数扫描，涉及的几何尺寸参数包括金矩形孔结构长度、宽度、厚度，磁光膜厚度，金膜厚度以及单元周期，根据该类型反射式结构设计经验，确定金矩形孔结构和金膜厚度分别为50nm和200nm，首先固定其他参数，使入射光波长和磁光膜厚度变化范围分别为600～1100nm和300～600nm，扫描得到周期阵列结构在施加外磁场激励条件时正交偏振通道出射光束的反射率，由于磁光膜的偏振转换效率有限，因此需从扫描结果中挑选在正交偏振通道出射光束反射率较高时对应的入射光波长和磁光膜厚度，根据附图3(b)所示的结果，此处确定工作波长和磁光膜厚度分别为750nm和410nm。进一步，固定其他参数，使金矩形纳米孔单元长度和宽度变化范围为80～400nm，分别扫描得到周期阵列结构在不施加和施加外磁场激励条件时相同和正交偏振通道出射光束的振幅和相位分布，如附图3(c)-(f)所示，从图中能够看出相同偏振通道的出射光束反射率较高，而正交偏振通道的出射光束反射率较低，是由于磁光材料有限的偏振转换效率，此外，两个偏振通道的相位都覆盖了较宽的调制范围，能够满足二值相位全息方法条件。
步骤二：为了使同一个磁光超表面结构在无外磁场激励时相同偏振通道和有外磁场激励时正交偏振通道能够显示两幅独立的全息图，根据二值相位计算全息生成方法，根据步骤一的计算结果附图3(c)-(f)挑选出无外磁场激励时相同偏振通道及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)对应的四组结构参数，由于相同和正交偏振通道相互独立，因此所挑选的四组结构的出射光束反射率仅需在各个偏振通道尽量满足振幅均一，且所挑选的四组结构在两个偏振通道对应的出射光束相位值是任意的，只要它们在两个偏振通道的相位差值满足上述四种组合即可，最终挑选出的四组结构参数如表1所示，对应于有无外磁场激励条件的复振幅分布如附图4所示，由于二值全息方法具有很强的鲁棒性，因此尽管所挑选结构的相位差值不完全等于π且各偏振通道的振幅值不完全均一，仍然能够实现全息图的重建。
表1：挑选结构的几何参数
步骤三：根据优化的二值相位Gerchberg-Saxton计算全息方法生成对应无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的两幅独立的全息图，并根据二值相位编码方法如附图5所示以及所生成的两幅全息图各像素对应于相同和正交偏振通道的相位组合形式进行磁光超表面阵列结构的编码排布，将磁光超表面阵列各单元结构尺寸替换为所挑选的四组结构参数。附图5中上层代表不施加外磁场激励时相同偏振通道对应的全息图像素单元组成，下层代表施加外磁场激励时正交偏振通道对应的全息图像素单元组成，每个方块代表一个像素单元，同一位置的像素单元的数值0或π代表有无外磁场激励时两个偏振通道对应的相位偏移值，从图中能够看出两个偏振通道对应的相位偏移值组合总共仅有四种形式为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)，包含了所有的可能组合。
步骤四：基于附图6所示的对磁光超表面结构进行全息图再现像重建过程的示意图，分别利用计算全息方法和时域有限差分法验证磁光超表面的动态全息显示功能。考虑时域有限差分法所需的计算资源，磁光超表面阵列结构的像素单元数选择为100×100。首先利用优化的相位型Gerchberg-Saxton计算全息方法分别对原图字母“B”和“爱心”进行全息面和傅里叶面多次循环迭代，生成在有无外磁场激励两种条件下的傅里叶平面再现像，重建的再现像结果如附图7(a)-(b)所示，然后利用FDTD对所设计的磁光超表面阵列结构分别建模计算得到在无外磁场激励时与入射光束相同偏振通道和有外磁场激励时与入射光束正交偏振通道的傅里叶平面再现像，重建的再现像结果如附图7(c)-(d)所示。从结果看出，利用时域有限差分法重建的图像质量相比计算全息方法重建的图像质量有所下降，是由于FDTD中网格划分精度的误差和计算资源的限制以及每个像素之间不可忽视的近场耦合效应导致的，但是时域有限差分法验证了磁光超表面的可调效果。
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.基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：所述的磁光超表面由金属纳米阵列-磁光膜-金属膜-衬底构成，金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里-珀罗谐振腔一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率；所述磁光超表面的顶层选择周期排布的金属矩形纳米孔结构，通过金属矩形孔几何尺寸变化产生的反射光束振幅和相位变化以及磁光材料在有无外磁场激励时的介电张量变化导致的反射光束有无偏振转换特性实现磁光超表面的主动光场调控和动态全息显示；利用全波矢量方法对结构的几何尺寸参数和入射光波长进行优化，明确金属矩形孔厚度、磁光膜厚度、金属膜厚度、单元周期和入射光波长参数，并在上述参数固定情况下，分别计算得到在无外磁场激励和有外磁场激励条件下改变金属矩形纳米孔单元长度和宽度对应的磁光超表面在与入射光束相同和正交的偏振通道出射光束的振幅和相位分布；保证相同和正交偏振通道出射光束的相位调制范围覆盖0~2π，相同偏振通道的出射光束反射率高；
步骤二：为了使同一个磁光超表面结构在无外磁场激励时相同偏振通道和有外磁场激励时正交偏振通道能够显示两幅独立的全息图，根据二值相位计算全息生成方法，从步骤一的全波矢量计算结果中挑选出无外磁场激励时相同偏振通道以及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为（0，0），（0，π），（π，0），（π，π）对应的四组结构参数，由于与入射光束相同和正交的偏振通道相互独立，因此所挑选的四组结构的出射光束反射率仅需在各个偏振通道满足均一，此外，所挑选的四组结构在两个偏振通道对应的出射光束相位值是任意的，仅需保证在两个偏振通道的相位差值满足上述四种组合即满足要求；
步骤三：基于相位计算全息方法生成对应无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的两幅独立的全息图，根据相位计算全息生成方法以及所生成的全息图各像素对应于相同和正交偏振通道的相位值组合形式将磁光超表面阵列各单元结构尺寸替换为所挑选的四组结构参数，即进行磁光超表面阵列结构设计和复振幅信息的编码排布。
2.如权利要求1所述的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，其特征在于：还包括步骤四，
步骤四：磁光超表面的磁控动态全息显示能够通过两种方法实现并验证；方法一是：根据步骤三所设计的磁光超表面阵列结构，将步骤二挑选的四组结构对应的振幅和相位信息代入各像素单元，生成振幅和相位全息，并利用计算全息方法生成磁光超表面在无外磁场激励和有外磁场激励两种情况的傅里叶平面再现像；方法二是：利用时域有限差分法对步骤三所设计的磁光超表面阵列结构进行建模仿真，分别得到在无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的傅里叶平面再现像，即通过对磁光超表面不施加或施加外部磁场激励，使得磁光膜在无偏振转换和有偏振转换特性之间切换，并基于步骤三所设计的磁光超表面阵列结构，所构建的磁光超表面能够实现在无外磁场作用时与入射光相同的偏振通道以及有外磁场作用时与入射光正交的偏振通道具有不同的光场振幅和相位调制，进而实现动态加密的全息显示。
3.如权利要求1或2所述的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，其特征在于：所述磁光超表面的顶层选用周期排布的金属矩形纳米孔结构，通过金属矩形孔几何尺寸变化产生的反射光束振幅和相位变化以及磁光材料在有无外磁场激励时的介电张量变化导致的反射光束有无偏振转换特性实现磁光超表面的主动光场调控和动态全息显示。
4.如权利要求1或2所述的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，其特征在于：相位计算全息生成方法选用二值相位计算全息生成方法。
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