CN114137814A - 一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法 - Google Patents
一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114137814A CN114137814A CN202111438341.3A CN202111438341A CN114137814A CN 114137814 A CN114137814 A CN 114137814A CN 202111438341 A CN202111438341 A CN 202111438341A CN 114137814 A CN114137814 A CN 114137814A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nano
- phase
- target image
- brick
- image
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000011449 brick Substances 0.000 claims abstract description 134
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 61
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 20
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 18
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 13
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 claims description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 6
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 5
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 3
- 230000007123 defense Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 10
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 239000011807 nanoball Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/26—Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique
- G03H1/2645—Multiplexing processes, e.g. aperture, shift, or wavefront multiplexing
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
- G03H1/0402—Recording geometries or arrangements
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
- G03H1/0465—Particular recording light; Beam shape or geometry
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
本发明属于微纳光学技术领域，公开了一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法。本发明选用圆偏振光作为入射光，利用出射的反向圆偏光所附加的几何相位只与纳米砖的转向角有关的性质，通过调节转向角即可调节几何相位，减小了所挑选的单元结构的数目，通过选取不同组类的单元结构来调节传输相位，避免了各个像素点选取单元结构相同时导致正交圆偏光入射所产生的全息图像不独立的问题。本发明提供的超表面器件结构紧凑，可以提供高信息密度存储，同时具有体积小、重量轻的优点，在防卫、加密、信息复用等方面有着极大的产业化前景。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法。
背景技术
目前对于相位型全息进行偏振复用设计有利用传输相位通过设计纳米单元结构的长短轴尺寸调节纳米单元结构对两个正交方向偏振光的附加相位；还有利用几何相位通过将纳米单元结构优化为半波片结构，通过改变其转角从而对入射正交圆偏光附加转角相关的相位。这两种方案的缺点分别在于利用传输相位的方法所需要挑选的结构较多，而利用几何相位的方法所涉及的目标图像不是相互独立的；这使得现有的偏振复用相位型全息方案设计和加工比较困难。
发明内容
针对现有方案的不足，利用计算全息术，本发明提出了一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法，同时利用传输相位和几何相位，在减少挑选的单元结构数目的同时实现了复用目标图像的独立，降低了设计和加工难度，在加密、图像显示、信息复用等领域有着很好的发展前景。
本发明提供一种实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，包括以下步骤：
步骤1、构建用于形成超表面器件的单元结构，所述单元结构包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；
步骤2、通过电磁仿真，优化设计得到功能等效为半波片的多个组类的单元结构，不同组类的单元结构中纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的单元结构中纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的单元结构在工作波长的圆偏振光入射下附加不同的传输相位；
步骤3、设计第一目标图像和第二目标图像，将每个所述单元结构作为一个像素点，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，对每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角进行选取；
步骤4、针对每个像素点，从多个组类的单元结构中挑选出附加的传输相位与目标图像的还原相位最接近的一个组类的单元结构进行排布，构建出能够实现独立全息图像复用的超表面器件；当左旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第一目标图像的全息图像；当右旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第二目标图像的全息图像。
优选的，所述步骤3中，纳米砖的转向角与目标图像的还原相位之间的关系如下：
其中，θ表示纳米砖的转向角，
表示第一目标图像的还原相位，
表示第二目标图像的还原相位；
根据上述关系确定每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角。
优选的，所述步骤4中，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值；
将纳米砖对入射光在x方向的分量所附加的传输相位记为
纳米砖对入射光在y方向的分量所附加的传输相位记为
和
表示为：
针对每个像素点，选择与计算得到的所需要的附加的传输相位的值最接近的一个组类的单元结构进行排布。
优选的，计算每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值之前，还包括：对所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位进行台阶化操作；
获得台阶化传输相位后，基于所述台阶化传输相位计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值。
优选的，所述步骤2中，优化设计多个组类的单元结构时，首先根据加工条件确定纳米砖的高度和相邻纳米砖中心点之间的距离，然后采用电磁仿真软件在工作波长下对纳米砖的长轴、短轴尺寸进行扫描，仿真获得沿x方向偏振光和沿y方向偏振光入射到不同尺寸的纳米砖对应的传输相位变化图、纳米砖对x方向偏振光和y方向偏振光的透过率示意图，以及纳米砖对反向圆偏光的转化效率示意图；最后根据扫描结果挑选出符合半波片功能、具有较高反向偏振转化效率、以及具有较高的透过率的多个组类的单元结构。
优选的，挑选出的多个组类的单元结构的反向偏振转化效率高于60％，挑选出的多个组类的单元结构的透过率高于50％。
优选的，扫描时，使纳米砖的长轴与x轴平行，并使用周期性边界条件，扫描范围为50nm-300nm，步长10nm。
优选的，目标图像的还原相位通过下述方式得到：
对目标图像进行畸变矫正和能量补偿，对校正后的目标图像不改变其振幅A，对其附加随机相位
对新构造的光场函数进行逆傅里叶变换，得到新的图像的振幅A’和相位
用单位振幅来替代新的图像的振幅A’，对新得到的全息面的透射光波进行傅里叶变换，还原得到第一次循环在输出面上的图像
对第一次循环在输出面上的图像进行处理，保持得到的图像相位
不变，用目标图像的振幅A来替代At，得到新的循环起始图像
再将其代入迭代循环过程，若满足跳出循环的条件，则输出还原得到的相位图。
优选的，所述跳出循环的条件为迭代次数达到预设次数，或者还原得到的图像的强度和目标图像的强度之间的差值小于预设值。
另一方面，本发明提供一种实现独立全息图像复用的超表面器件，采用上述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法得到。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，选用圆偏振光作为入射光，利用出射的反向圆偏光所附加的几何相位只与纳米砖的转向角有关的性质，通过调节转向角即可调节几何相位，减小了所挑选的单元结构数目，通过选取不同组类的单元结构来调节传输相位，避免了各个像素点选取单元结构相同时导致正交圆偏光入射所产生的全息图像不独立的问题。本发明提供的超表面器件结构紧凑，可以提供高信息密度存储，同时具有体积小、重量轻的优点，在防卫、加密、信息复用等方面有着极大的产业化前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种实现独立全息图像复用的超表面器件中单元结构的尺寸参数示意图。
图2是纳米砖构成的阵列的三维结构示意图。
图3中的(a)表示沿x方向偏振和沿y方向偏振光入射到不同尺寸的纳米砖得到的相位变化图，图3中的(b)表示不同尺寸的纳米砖对x方向偏振光的透过率示意图，图3中的(c)表示不同尺寸的纳米砖对y方向偏振光的透过率示意图。
图4中的(a)表示纳米砖对反向圆偏光的转化效率示意图，图4中的(b)表示纳米砖对圆偏光附加的传输相位图。
图5是确定目标图像还原得到的相位的流程示意图。
图6是多个具有不同尺寸、不同转向角的纳米砖的排布示意图。
图7是两种正交圆偏光入射光下的成像效果示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供了一种实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，包括以下步骤：
步骤1、构建用于形成超表面器件的单元结构，所述单元结构包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。
步骤2、通过电磁仿真，优化设计得到功能等效为半波片的多个组类的单元结构，不同组类的单元结构中纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的单元结构中纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的单元结构在工作波长的圆偏振光入射下附加不同的传输相位。
具体的，优化设计多个组类的单元结构时，首先根据加工条件确定纳米砖的高度和相邻纳米砖中心点之间的距离，然后采用电磁仿真软件在工作波长下对纳米砖的长轴、短轴尺寸进行扫描，仿真获得沿x方向偏振光和沿y方向偏振光入射到不同尺寸的纳米砖对应的传输相位变化图、纳米砖对x方向偏振光和y方向偏振光的透过率示意图，以及纳米砖对反向圆偏光的转化效率示意图；最后根据扫描结果挑选出符合半波片功能、具有较高反向偏振转化效率、以及具有较高的透过率的多个组类的单元结构。例如，挑选出的多个组类的单元结构的反向偏振转化效率高于60％，挑选出的多个组类的单元结构的透过率高于50％。扫描时，使纳米砖的长轴与x轴平行，并使用周期性边界条件，扫描范围为50nm-300nm，步长10nm。
步骤3、设计第一目标图像和第二目标图像，将每个所述单元结构作为一个像素点，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，对每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角进行选取。
其中，纳米砖的转向角与目标图像的还原相位之间的关系如下：
其中，θ表示纳米砖的转向角，
表示第一目标图像的还原相位，
表示第二目标图像的还原相位；根据上述关系确定每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角。
目标图像的还原相位通过下述方式得到：对目标图像进行畸变矫正和能量补偿，对校正后的目标图像不改变其振幅A，对其附加随机相位
对新构造的光场函数进行逆傅里叶变换，得到新的图像的振幅A’和相位
用单位振幅来替代新的图像的振幅A’，对新得到的全息面的透射光波进行傅里叶变换，还原得到第一次循环在输出面上的图像
对第一次循环在输出面上的图像进行处理，保持得到的图像相位
不变，用目标图像的振幅A来替代At，得到新的循环起始图像
再将其代入迭代循环过程，若满足跳出循环的条件，则输出还原得到的相位图。所述跳出循环的条件为迭代次数达到预设次数，或者还原得到的图像的强度和目标图像的强度之间的差值小于预设值。
步骤4、针对每个像素点，从多个组类的单元结构中挑选出附加的传输相位与目标图像的还原相位最接近的一个组类的单元结构进行排布，构建出能够实现独立全息图像复用的超表面器件；当左旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第一目标图像的全息图像；当右旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第二目标图像的全息图像。
具体的，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值；将纳米砖对入射光在x方向的分量所附加的传输相位记为
纳米砖对入射光在y方向的分量所附加的传输相位记为
和
表示为：
针对每个像素点，选择与计算得到的所需要的附加的传输相位的值最接近的一个组类的单元结构进行排布。
优选的方案中，计算每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值之前，还包括：对所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位进行台阶化操作；获得台阶化传输相位后，基于所述台阶化传输相位计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值。
实施例2：
实施例2提供了一种实现独立全息图像复用的超表面器件，采用如实施例1提供的一种实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法得到。
下面对本发明做进一步的说明。
所述超表面器件包括基底和周期排布于其上的纳米砖，基底和纳米砖均为亚波长尺寸。所述基底材料采用熔融石英，所述纳米砖材料采用二氧化钛。所述基底划分为尺寸一致的正方形单元，其中心放置一个纳米砖，所述正方形单元边长与相邻纳米砖中心点间距相等。所述超表面器件的工作波段为绿光(波长为532nm)时最终形成的还原图像质量最好。下面以工作波长为532nm进行说明。
每个所述纳米砖对应于一个成像像素，具有不同尺寸和转向角的所述纳米砖在波长为532nm的正交圆偏光照射下附加不同的相位。通过合理安排不同尺寸所述纳米砖的位置和转向角分布，可以实现在两种正交圆偏光照射下产生独立的两幅的全息图像。
不同尺寸的纳米砖在不同偏振态的绿光照射下附加不同相位的原理为：入射光入射到不同尺寸的纳米砖时，有着不同的边界条件，因此根据麦克斯韦方程组求解可以得到不同的折射率，而波长一定光波在介质中传播时所附加的传输相位取决于折射率和传播距离，上述纳米砖高度一定，因此不同尺寸的纳米砖针对入射光波会产生不同的折射率，从而附加不同的传输相位。而对于入射的圆偏振光，当纳米砖被优化为半波片结构时，纳米砖对入射光所附加的几何相位只与纳米砖转角相关。因此只需在保证纳米砖半波片结构的前提下调整其尺寸和转向角得到所设计的独立目标图像在全息面上的相位分布即可。
在设计纳米砖尺寸时，使纳米砖长轴与x轴平行，分别扫描得到纳米砖对长轴方向和短轴方向偏振光所附加的相位，使得在波长为532nm的绿光下照射纳米砖长短轴的相位差为π，同时扫描纳米转结构对波长532nm的绿光的透过率以及对圆偏光所附加的传输相位。为了减少所选择的结构数目，对还原得到的目标图像相位进行台阶化操作。再从扫描得到的结构中选择符合条件的结构。
所述超表面器件中每个纳米砖对应于一个像素。根据目标图像所还原得到的相位计算得到设计纳米砖长短轴方向所需要附加的传输相位的值，纳米砖对入射光在x方向的分量所附加的传输相位记为
纳米砖对入射光在y方向的分量所附加的传输相位记为
其中，
表示第一目标图像的还原相位，
表示第二目标图像的还原相位，并将得到的各像素点传输相位按照与目标8台阶化相位差值最小的原则进行台阶量化操作，设置相位8台阶化的纳米砖结构的分布位置，从而实现在正交圆偏振光入射时透射产生两幅独立的全息图像。
纳米砖的转向角θ为纳米砖的长轴与x轴的夹角，纳米砖的转向角θ与
和
之间的关系为：
当左旋圆偏振光入射时得到第一目标图像的全息图像，当右旋圆偏振光入射时得到第二目标图像的全息图像。
例如，在波长为532nm的左旋圆偏光入射时，产生字母A的全息图像，在波长为532nm的右旋圆偏光入射时产生字母B的全息图像。可通过改变入射圆偏光的偏振状态灵活的切换产生的全息图像，实现独立全息图像复用。
实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法包含以下步骤：
(1)确定基底和纳米砖的材料和基本结构，基底相互垂直的两边为x轴和y轴。根据加工条件确定纳米砖的高度H。
(2)优化设计多组备选的单元结构；
在x线偏振光、y线偏振光入射下，扫描纳米砖的长短轴尺寸，仿真得到纳米砖所附加的相位的图像，找出当x，y方向附加相位差为π时的结构，再结合传输相位和透过率挑选8组纳米砖尺寸。
(3)利用目标图像通过GS算法还原所得到的超表面的相位分布，构建纳米砖琼斯矩阵与出射光所被附加的几何相位之间的关系，求解得到各个像素点纳米砖的转向角。
(4)根据目标图像还原得到的相位分布确定各种尺寸纳米砖的位置分布，即在备选的结构单元中，选择与计算得到的所需要的附加的传输相位的值最接近的一个组类的单元结构，确定各个像素点对应的纳米砖的长短轴尺寸LX和LY。
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为用于形成实现独立全息图像复用的超表面器件的单元结构的示意图，一共有两层，包括纳米砖和基底。Lx为纳米砖的长轴尺寸，Ly为纳米砖的短轴尺寸，H为纳米砖的高度，θ为纳米砖的转向角，C为相邻单元结构中心点之间的距离，即单元结构的周期。图2为纳米砖构成的阵列的三维结构示意图。
本实施例中，超表面器件的像素数为60*60，与目标图像像素数相同。工作波长为532nm。选择纳米砖的高度H为600nm，周期C为400nm。采用Comsol电磁仿真软件在工作波长下对纳米砖的长短轴尺寸进行扫描，使用周期性边界条件，扫描范围为50nm-300nm，步长10nm。仿真获得沿x方向偏振和沿y方向偏振光入射到不同尺寸纳米砖的相位变化图(如图3(a)所示)、纳米砖对x方向偏振光的透过率示意图(如图3(b)所示)、纳米砖对y方向偏振光的透过率示意图(如图3(c)所示)、纳米砖对反向圆偏光的转化效率示意图(如图4(a)所示)、纳米砖对圆偏光附加的传输相位图(如图4(b)所示)。
图3中，挑选的结构均用点标出，每个点所对应的横纵坐标即代表所挑选出来的纳米结构的一组长宽；图3中的(a)最右侧的颜色栏从暗到亮代表着相位从0到2π的变化，图3中的(a)中各点的灰度值的不同代表着该点所代表的结构能附加不同的相位；图3中的(b)和(c)最右侧的颜色栏从暗到亮代表着透过率从0到100％的变化，这两幅图像中各点的灰度值的不同代表着带点对应的纳米结构有着不同的透过率。
图4中，挑选的结构均用点标出，每个点所对应的横纵坐标即代表所挑选出来的纳米结构的一组长宽；图4中的(a)最右侧的颜色栏从暗到亮代表着反向圆偏光偏振转化效率从0到100％的变化，图4中的(a)中各点的灰度值的不同代表着该点所代表的结构具有不同的反向偏振转化效率；图4中的(b)中右侧的颜色栏从暗到亮代表着相位从0到2π的变化，图4中的(b)中各点的灰度值的不同代表着该点所代表的结构能附加不同的传输相位。
确定目标图像还原得到的相位，具体方法如下：先对想要进行相位还原的第一目标图像(例如字母A)进行畸变矫正和能量补偿，对校正后的图像不改变其振幅A，对其附加随机相位
对新构造的光场函数进行逆傅里叶变换，得到新的图像的振幅A’和相位
用单位振幅来替代新的图像的振幅A’，对新得到的全息面的透射光波进行傅里叶变换，还原得到第一次循环在输出面上得到的图像
此时的图像与我们所需要的目标图像误差仍然很大，因此需要继续迭代循环找出经过傅里叶变换后最符合目标图像光场分布的相位图。所以需要在对第一次循环得到的输出面上的图像进行处理，保持得到的图像相位
不变，用目标图像的振幅A来替代At，此时得到新的循环起始图像
再将其代入上述循环过程，最后设置跳出循环的条件。在本次仿真中，设置为迭代次数超过两百次，或者还原得到的图像的强度和目标图像的强度之间的差值小于预设值，即可输出还原得到的相位图(具体的，首先得到还原得到的图像和目标图像每个对应的像素点的强度的差值，然后将每个对应的像素点的差值的绝对值加起来，若得到的差值的绝对值之和小于目标图像各像素点的强度之和的1/1000，则输出还原得到的相位图)，流程示意图如图5所示。
确定纳米砖的转向角，具体方法如下：对第一目标图像(例如，字母A)和第二目标图像(例如，字母B)，先对它们进行畸变矫正和能量补偿；以校正后的图像带入GS算法中进行还原，得到校正后的字母A和字母B还原的相位分布
和
将其与纳米砖琼斯矩阵和入射及出射光波的琼斯矢量联立方程可得：
上式中|L>和|R>分别代表左旋圆偏光和右旋圆偏光的琼斯矢量，G(x,y)是目标纳米砖的琼斯矩阵，Φ1(x,y)表示目标图像字母A还原得到的相位分布
Φ2(x,y)表示目标图像字母A还原得到的相位分布
i表示虚数，对方程组进行倒置可得：
对上式继续化简可得：
由于上式是一个对称矩阵，那么它一定可以对角化，将其转化为G＝γΔγ-1的形式，其中γ矩阵的列向量为G(x,y)的特征向量，Δ是一个对角矩阵，并且它的矩阵元素是G(x,y)的特征值，所以我们可以通过求解琼斯矩阵G(x,y)的特征方程可以求解出G(x,y)的两个特征值ξ1、ξ2为：
同时，也可以求取出它的特征向量为：
纳米砖的琼斯矩阵对角化后可以表示为：
由于琼斯矩阵G(x,y)是在线偏光的基底下进行表示的，所以γ可以看作矩阵Δ的旋转矩阵，而矩阵Δ可以看作一个半波片的琼斯矩阵表示，矩阵Δ代表的半波片结构纳米砖对入射光的x方向和y方向分量所附加的相位和其旋转的角度分别为：
得到纳米砖的转向角与目标图像还原相位之间的关系后便可得到各像素点对应的纳米砖的转向角。
确定纳米砖的尺寸，具体实现如下：为了实现全息图像有更高的能量利用效率，纳米砖应该越接近半波片结构。根据仿真得到的沿x方向偏振和沿y方向偏振光入射到不同尺寸纳米砖的传输相位变化，以及纳米砖对圆偏光的转化效率挑选了八组尺寸。纳米砖尺寸参数，包括X方向尺寸(即长轴尺寸)、Y方向尺寸(即短轴尺寸)、X方向偏振光附加传输相位、Y方向偏振光附加传输相位，X与Y方向传输相位差(X与Y方向传输相位差是利用X方向相位减去Y方向相位得到的。对于相减为负数的情况下，由于入射单色光波的相位的一个周期为2π，所以对于X方向相位减去Y方向相位值的结果为负数时，将这个结果再加上2π变换到0～2π的区间内进行表示)，X方向透过率、Y方向透过率、正交偏振转化效率、同向偏振转化效率(透过纳米砖的同向圆偏光出射后会对最终形成的全息图的观察产生干扰，所以同向偏振转化效率越低越好)、圆偏振光传输相位的相关参数如表1所示。
表1八组纳米砖对应的结构参数
可以看到，选出的八种结构反向偏振转化效率(即正交偏振转化效率)都在60％以上，有六种结构的正交偏振转化效率在80％以上，可以实现较好的能量利用。
根据目标图像还原得到的相位与选出的八种结构所附加的传输相位之差最小的原则，对超表面上各像素点对应的纳米砖结构进行选取。图6是多个具有不同尺寸、不同转向角的纳米砖的排布示意图。
利用波长为532nm的激光光源照射此超表面器件，利用起偏器和主轴与起偏器起偏方向夹角为45°的四分之一波片产生左旋圆偏光进行照射产生目标图像A，如图7中的(a)所示；当起偏器主轴朝四分之一波片主轴方向旋转90°即可产生右旋圆偏光照射产生目标图像B，如图7中的(b)所示。
本发明实施例提供的一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法至少包括如下技术效果：
(1)本发明选用圆偏振光作为入射光，利用出射的反向圆偏光所附加的几何相位只与纳米砖的转向角有关的性质，通过调节转向角即可调节几何相位，减小了所挑选的单元结构数目。但所采取的纳米砖半波片结构不只有一种，因此可以通过选取不同组类的单元结构来调节传输相位，从而避免了各个像素点选取单元结构相同时导致正交圆偏光入射所产生的全息图像不独立的问题。
(2)本发明的超表面全息图像复用的全息器件结构紧凑，可以提供高信息密度存储，同时具有体积小、重量轻的优点，在防卫、加密、信息复用等方面有着极大的产业化前景。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建用于形成超表面器件的单元结构，所述单元结构包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；
步骤2、通过电磁仿真，优化设计得到功能等效为半波片的多个组类的单元结构，不同组类的单元结构中纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的单元结构中纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的单元结构在工作波长的圆偏振光入射下附加不同的传输相位；
步骤3、设计第一目标图像和第二目标图像，将每个所述单元结构作为一个像素点，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，对每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角进行选取；
步骤4、针对每个像素点，从多个组类的单元结构中挑选出附加的传输相位与目标图像的还原相位最接近的一个组类的单元结构进行排布，构建出能够实现独立全息图像复用的超表面器件；当左旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第一目标图像的全息图像；当右旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第二目标图像的全息图像。
2.根据权利要求1所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述步骤3中，纳米砖的转向角与目标图像的还原相位之间的关系如下：
其中，θ表示纳米砖的转向角，
表示第一目标图像的还原相位，
表示第二目标图像的还原相位；
根据上述关系确定每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角。
3.根据权利要求2所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述步骤4中，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值；
将纳米砖对入射光在x方向的分量所附加的传输相位记为
纳米砖对入射光在y方向的分量所附加的传输相位记为
和
表示为：
针对每个像素点，选择与计算得到的所需要的附加的传输相位的值最接近的一个组类的单元结构进行排布。
4.根据权利要求3所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，计算每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值之前，还包括：对所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位进行台阶化操作；
获得台阶化传输相位后，基于所述台阶化传输相位计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值。
5.根据权利要求1所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述步骤2中，优化设计多个组类的单元结构时，首先根据加工条件确定纳米砖的高度和相邻纳米砖中心点之间的距离，然后采用电磁仿真软件在工作波长下对纳米砖的长轴、短轴尺寸进行扫描，仿真获得沿x方向偏振光和沿y方向偏振光入射到不同尺寸的纳米砖对应的传输相位变化图、纳米砖对x方向偏振光和y方向偏振光的透过率示意图，以及纳米砖对反向圆偏光的转化效率示意图；最后根据扫描结果挑选出符合半波片功能、具有较高反向偏振转化效率、以及具有较高的透过率的多个组类的单元结构。
6.根据权利要求5所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，挑选出的多个组类的单元结构的反向偏振转化效率高于60％，挑选出的多个组类的单元结构的透过率高于50％。
7.根据权利要求5所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，扫描时，使纳米砖的长轴与x轴平行，并使用周期性边界条件，扫描范围为50nm-300nm，步长10nm。
8.根据权利要求1所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，目标图像的还原相位通过下述方式得到：
对目标图像进行畸变矫正和能量补偿，对校正后的目标图像不改变其振幅A，对其附加随机相位
对新构造的光场函数进行逆傅里叶变换，得到新的图像的振幅A’和相位
用单位振幅来替代新的图像的振幅A’，对新得到的全息面的透射光波进行傅里叶变换，还原得到第一次循环在输出面上的图像
对第一次循环在输出面上的图像进行处理，保持得到的图像相位
不变，用目标图像的振幅A来替代At，得到新的循环起始图像
再将其代入迭代循环过程，若满足跳出循环的条件，则输出还原得到的相位图。
9.根据权利要求8所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述跳出循环的条件为迭代次数达到预设次数，或者还原得到的图像的强度和目标图像的强度之间的差值小于预设值。
10.一种实现独立全息图像复用的超表面器件，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法得到。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111438341.3A CN114137814B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111438341.3A CN114137814B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114137814A true CN114137814A (zh) | 2022-03-04 |
| CN114137814B CN114137814B (zh) | 2022-08-16 |
Family
ID=80389504
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111438341.3A Active CN114137814B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114137814B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114815000A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-29 | 西北工业大学 | 超表面、超表面设计方法和器件 |
| CN115327677A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-11-11 | 西北工业大学 | 一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法 |
| CN115373053A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-22 | 武汉大学 | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 |
| CN116205111A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-06-02 | 北京理工大学 | 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110216296A1 (en) * | 2010-03-05 | 2011-09-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Hologram and exposure apparatus |
| CN107065490A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-18 | 北京理工大学 | 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法 |
| CN111766651A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 安徽师范大学 | 线偏振光单向sp激发器、圆偏振光定向sp激发器、多向分束器及其偏振检测方法 |
| CN111883931A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-11-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于超构表面综合相位调控原理的圆极化四通道独立异常偏转透镜 |
| CN112099229A (zh) * | 2020-10-30 | 2020-12-18 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于远场的高速自适应光学闭环控制方法 |
| CN112684602A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-20 | 武汉大学 | 用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法 |
| CN112733343A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 武汉大学 | 实现可重构水印的超表面彩色纳米印刷器件的设计方法 |
| CN112882139A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法 |
| CN113126465A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-07-16 | 武汉大学 | 基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法 |
| CN113203687A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-03 | 深圳大学 | 一种基于复合相位超构表面的多维度成像方法及装置 |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111438341.3A patent/CN114137814B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110216296A1 (en) * | 2010-03-05 | 2011-09-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Hologram and exposure apparatus |
| CN107065490A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-18 | 北京理工大学 | 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法 |
| CN111766651A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 安徽师范大学 | 线偏振光单向sp激发器、圆偏振光定向sp激发器、多向分束器及其偏振检测方法 |
| CN111883931A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-11-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于超构表面综合相位调控原理的圆极化四通道独立异常偏转透镜 |
| CN112099229A (zh) * | 2020-10-30 | 2020-12-18 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于远场的高速自适应光学闭环控制方法 |
| CN112684602A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-20 | 武汉大学 | 用于实现近场自旋角动量复用的超表面材料的设计方法 |
| CN112733343A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 武汉大学 | 实现可重构水印的超表面彩色纳米印刷器件的设计方法 |
| CN112882139A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 武汉大学 | 实现近场结构色显示与全息复用的超表面及其设计方法 |
| CN113203687A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-03 | 深圳大学 | 一种基于复合相位超构表面的多维度成像方法及装置 |
| CN113126465A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-07-16 | 武汉大学 | 基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| SUN S,YANG K Y,WANG C M等: "high-efficiency broadband anomalous reflection by gradient meta-surfaces", 《NANO LETTERS》 * |
| XIAO LIANG等: "Asymmetric hologram with a single-size nanostructured metasurface", 《OPTICS EXPRESS》 * |
| 付娆，李子乐，郑国兴: "超构表面的振幅调控及其功能器件研究进展", 《中国光学》 * |
| 王宇，郑国兴等: "基于硅基超表面材料的光功率分配技术研究", 《光通信研究》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114815000A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-29 | 西北工业大学 | 超表面、超表面设计方法和器件 |
| CN114815000B (zh) * | 2022-03-31 | 2024-01-30 | 西北工业大学 | 超表面、超表面设计方法和器件 |
| CN115327677A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-11-11 | 西北工业大学 | 一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法 |
| CN115327677B (zh) * | 2022-04-14 | 2024-01-30 | 西北工业大学 | 一种实现偏振信息加密的矢量超表面及设计方法 |
| CN115373053A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-22 | 武汉大学 | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 |
| CN115373053B (zh) * | 2022-08-29 | 2023-09-19 | 武汉大学 | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 |
| CN116205111A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-06-02 | 北京理工大学 | 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法 |
| CN116205111B (zh) * | 2023-03-09 | 2024-01-16 | 北京理工大学 | 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114137814B (zh) | 2022-08-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114137814B (zh) | 一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法 | |
| CN109459870B (zh) | 基于双折射介质超颖表面的多通道矢量全息偏振复用方法 | |
| CN108490603B (zh) | 基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法 | |
| Li et al. | Time-sequential color code division multiplexing holographic display with metasurface | |
| CN113126465B (zh) | 基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法 | |
| CN113591357B (zh) | 基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法 | |
| CN114137812B (zh) | 基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法 | |
| Peng et al. | Mix-and-match holography. | |
| CN114967123B (zh) | 一种超表面及其设计方法、基于超表面的全息显示方法 | |
| CN113238470B (zh) | 基于超颖表面全息的码分复用方法 | |
| CN113203687A (zh) | 一种基于复合相位超构表面的多维度成像方法及装置 | |
| CN114690404A (zh) | 一种基于超表面的多衍射级独立光波场调控方法 | |
| CN114942519B (zh) | 基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法 | |
| CN111258060B (zh) | 可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法 | |
| CN109634086B (zh) | 基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置 | |
| CN111562707B (zh) | 一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法 | |
| CN112462514B (zh) | 一种非线性衍射光学元件的设计方法及其应用 | |
| CN115373053B (zh) | 实现三通道独立纳米印刷图像复用的超表面及其构建方法 | |
| CN111175855B (zh) | 一种多重信息复用超表面及其设计方法 | |
| CN112276370A (zh) | 一种基于空间光调制器的三维码激光标刻方法及系统 | |
| Szpygiel et al. | Distortion correction for wide angle holographic projector | |
| Chen et al. | Depth layer slicing optimization method based on hybrid compressive light field | |
| CN115933174B (zh) | 基于相位调制的纳米印刷和全息复用的设计方法 | |
| CN114895543A (zh) | 基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法 | |
| Zhou et al. | Point spread function-inspired deformable convolutional network for holographic displays |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |