CN114647173B - 基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，属于微纳光学、衍射光学和全息技术领域。本发明针对多维度、可定制化的入射偏振态与出射偏振态建立全息关联，极大提升偏振全息记录的通道数目与信息容量；基于亚波长像素单元记录矢量相位型全息图，极大提升超表面的转换效率，提升显示视场与分辨率；通过建立互相独立的入射斯托克斯偏振与出射斯托克斯偏振共同作用下，超表面所记录光学信息的定量变换与复用模型，进一步提升调制自由度与复用维度。本发明不受偏振复用数目与偏振状态的限制，再现质量高、无孪生像干扰，用于信息加密与防伪、光信息处理与计算、固态扫描与动态显示、先进制造工艺、新型检测、成像技术等领域。

Description

基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法

技术领域

本发明涉及一种相位型偏振全息变换及复用方法，特别涉及一种基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，属于微纳光学、衍射光学和全息技术领域。

背景技术

偏振描述了光波前进过程中，垂直波矢方向电磁场振动特性，作为光学固有属性，具有隐蔽性强、可调状态多样等显著特点，被广泛应用于光学加密与防伪、光信息复用与处理、动态全息显示等领域。除此之外，偏振所记录的电磁场振动特性，在光与物质相互作用中扮演重要角色，被广泛应用于物质检测和成分分析、微纳加工、全息光镊等领域。基于微纳光学的偏振全息光学调制，符合光电器件小型化、智能化发展的需要，作为尖端前沿研究，对于集成化光电技术、新型微纳制造技术等的发展具有重要战略意义。

全息于1948年被提出，基于干涉或衍射算法，和不断创新的光学记录载体，成为了波前调制、光学计量与检测、光学成像的重要手段。通常，基于衍射算法的全息编码方式，根据所记录变量的不同，可分为复振幅记录与纯相位记录，前者为解析结果，再现质量高，但再现效率很低，后者通过优化算法获取，可以再现高质量光场，并极大提升重构效率。

超表面作为一种新颖的人造二维材料，通过表面人造原子提供突变的电磁场调制，突破了传统自然材料的电磁响应特性与体效应，至今，针对光学复振幅、波长、偏振等物理量的调控已实现大量应用案例。目前，基于超表面实现偏振全息变换及复用的方案主要为以下3种：(1)利用单层超表面人造原子的3个独立偏振通道实现偏振全息复用，当入射/出射偏振通道增多时，需要采用空间复用策略，极大降低信息容量、视场角、分辨率等显示指标；(2)通过叠加多个人造原子的迂回相位与几何相位实现偏振全息的复振幅编码，继而采用空间复用方案进行偏振全息复用，除了偏振全息复用维度与信息容量受限，在使用迂回相位编码时，需要考虑相邻原子之间的空间重叠问题，通常需要去除部分像素单元，再次造成能量损失，并且，在设计多原子组成的宏像素时，需要进一步考虑人造原子之间的耦合问题，增加了超表面设计的复杂性；(3)基于偏振通道的线性可加原理，通过共振效应和几何相位实现多种偏振全息的复振幅编码，由于复振幅编码再现的低效性，极大损失了入射光能量，并且，由于基于圆偏振基的相位编码不独立，再现光场存在孪生像，除此之外，入射偏振态与出射偏振态必须保持正交性，限制了入射与出射偏振调制的自由度。截至目前，在针对偏振全息变换及复用的研究中，尚未针对全斯托克斯入射空间至全斯托克斯出射空间建立独立且灵活的偏振全息变换及复用的模型。基于超表面实现偏振全息变换及复用的方法存在着调制自由度低、复用维度低、转换效率低，以及视场角等显示效果受限的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前基于超表面实现偏振全息的调制自由度、复用维度与信息容量受限，再现效率低，视场角与分辨率受限的问题，提供基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法；该方法针对多维度、可定制化的入射偏振态与出射偏振态建立全息关联，极大提升偏振全息记录的通道数目与信息容量；并且，基于亚波长像素单元记录矢量相位型全息图，极大提升超表面的转换效率，提升显示视场与分辨率；在此基础上，建立了互相独立的入射斯托克斯偏振与出射斯托克斯偏振共同作用下，超表面所记录光学信息的定量变换与复用模型，进一步提升调制自由度与复用维度。本发明不受偏振复用数目与偏振状态的限制，再现质量高、无孪生像干扰，能够广泛用于信息加密与防伪、光信息处理与计算、固态扫描与动态显示、先进制造工艺、新型检测、成像技术等技术领域。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，首先，对多偏振通道复用的全息光场，建立入射偏振空间至出射偏振空间的全息编码方式，优化获取能够高质量重构多偏振通道复用全息的相位分布；根据上一步所得到的相位分布，设计超表面的各像素点所对应的单元结构，确定人造原子的几何尺寸与排列方式，进而生成超表面加工文件；利用标准微纳加工工艺，生成超表面；在此基础上，针对不同的入射/出射偏振调制，建立超表面所记录矢量光场的变换和复用模型，进一步提升超表面调制自由度与复用能力。

本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，包括如下步骤：

步骤一：对多偏振通道复用的全息光场，建立入射偏振空间至出射偏振空间的全息编码方式，优化获取能够高质量重构多偏振通道复用全息的相位分布。

入射偏振态与出射偏振态相互独立、多偏振通道复用的全息光场编码方式具体如下：

采用琼斯矩阵J来描述入射偏振光场转换为出射偏振全息的过程，记第j个入射偏振态和出射偏振态分别为

和

对于

入射/

出射的偏振通道，记再现物体振幅为A_j，所对应的傅里叶空间的复振幅全息h_j满足

其中

代表傅里叶变换算符。基于傅里叶变换的线性可加原理，再现光场的偏振复用全息为

由于任意偏振态能够由一对正交偏振基描述，超表面对于两个正交圆偏振转换通道拥有独特相位调制能力，为方便后续超表面人造原子的设计，在此使用透射的正交圆偏振通道t_rl与t_lr编码偏振全息，并保证t_rl和t_lr两通道拥有接近百分百转换效率；其中t_rl为左旋圆偏振|L>入射/右旋圆偏振|R>出射通道，t_lr为右旋圆偏振|R>入射/左旋圆偏振|L>出射通道。因此，t_rl和t_lr通道所编码的复振幅全息分别为

和

其中

代表

在偏振基|R>上的复振幅分量，

代表

在偏振基|L>上的复振幅分量。在此基础上，记录多通道偏振复用全息的琼斯矩阵J的表达式为：

为提升偏振全息再现效率，将传统的标量相位型全息优化方式拓展为矢量相位型全息优化方式，得到矢量相位分布

和

具体实现方法如下：

首先，随机生成t_rl和t_lr两个通道的纯相位全息图

和

用之再现物体，将再现光场分别记录为E_R和E_L。对于入射偏振

的再现矢量目标

采用轮换的迭代过程：对于奇数次迭代，选择保留再现像E_R的纯相位，记为公共相位项

对于偶数次迭代，选择保留再现像E_L的纯相位，记为公共相位项

将所述公共相位项

与目标振幅A_j和入射、出射偏振态进行混合运算，同时得到此次迭代下的物体混合计算结果E′_R和E_L′，其中

将所得到结果进行反傅里叶变换，提取相位项，作为新一轮迭代的相位全息图

和

重复所述迭代过程，直至得到t_rl和t_lr的相位优化结果

和

步骤二：根据步骤一所得到的相位分布，考虑超表面人造原子响应特性，选定超表面材料与工作波段，设计超表面的单元结构，确定人造原子的几何尺寸与排列方式，进而生成超表面加工文件。

人造原子的设计目标为：首先，在t_rl和t_lr偏振通道，转换效率接近100％；其次，对t_rl和t_lr偏振通道的相位调制覆盖0～2π，并且，两通道相位独立、不相互干扰，所述目标通过动态相位和几何相位共同作用来实现。由于单层人造原子的结构对称性，t_rl和t_lr通道具有相同的动态相位θ₀，并且，所述动态相位能够通过改变人造原子的几何尺寸进行调节；通过平面旋转人造原子，在t_rl和t_lr通道分别获取与平面转角相关的几何相位±θ_p，所述几何相位与平面转角成2倍关系。因此，t_rl和t_lr通道各自对应的调制相位分别为θ₀+θ_p和θ₀-θ_p，相互独立并且覆盖0～2π。根据步骤一所得的矢量相位全息图

和

计算人造原子所对应几何转角θ_p/2和几何尺寸，确定记录全息图的超表面阵列，并生成超表面加工文件。

步骤三：采用标准微纳加工工艺，根据步骤二得到的超表面加工文件，制备超表面。

步骤四：在步骤一的基础上，建立不同入射/出射偏振调制下超表面所记录矢量光场的变换和复用模型，进一步提升超表面调制自由度与复用能力。

首先，调制超表面的入射偏振态，将实际调制的入射偏振态记为

根据公式(1)可知，此时出射光场为：

此时，各再现物体的光场和强度分布为

和

当入射偏振态

和预先设置的偏振态

相同时，再现物体取得最大强度值，对应出射偏振态为

反之，若

和预先设置的

不同，出射偏振态由公式(2)决定，不再为

当

或

与

在|R>和|L>偏振基上的分量仅存在相位延迟，再现物体强度I_j不发生改变，否则，根据所述定量关系变化。

进一步，对出射光场进行偏振调制，设置出射偏振通道为

此时，各子图像的光场和强度会被进一步调制为：

当入射偏振与子物体预设入射偏振相同时

上式可简化为

和

此时，再现物体I_j的强度取决于调制偏振

与预设出射偏振

的相关性，若

再现物体I_j取得强度最大值。根据公式(3)和公式(4)，能够对超表面所编码矢量全息进行进一步调制，增加动态调制自由度，设计时序动态成像。

所述方法能够应用于动态全息显示，和光学加密与防伪等实际应用。

有益效果：

1、本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，采用简化为t_rl和t_lr两个独立解耦变量的琼斯矩阵编码矢量相位全息图，实现了入射和出射两个斯托克斯偏振空间的灵活全息关联，实现入射偏振态与出射偏振态相互独立、多通道同时关联的大容量全息编码与复用。

2、本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，由于采用矢量相位编码方式记录复用全息，并且，基于傅里叶变换的线性可加性，每个亚波长像素能够关联全部的矢量再现物体，极大提升偏振全息的转换效率，显著提升视场角和分辨率，再现像质量高，不存在孪生像。

3、本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，针对超表面编码矢量光场，通过改变不同的入射/出射偏振通道，再现的各部分矢量物体的强度得到不同程度地调制，从而影响整体再现形貌，兼具多种变换状态，适用于复杂变换与动态显示。所述方案可被广泛应用于动态波前调制，动态全息显示中。并且，由于偏振通道的多样性，使用所述方法生成的超表面，可以视为绝佳的光学加密密码本。将入射/出射偏振通道作为密钥，超表面作为密码本，三者独立传送，可以极大提升解密复杂度与信息安全性。

4、本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，由于偏振调制仅需标准起偏器与检偏器，相较于频率、轨道角动量、空间编码等光学变量，极大降低对辅助调制器件的要求，具有操作简单，编码状态多样且灵活的优势。并且，所述方法可与液晶等可调偏振调制元件集成，推动微型光电可调器件的应用。

5、本发明公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，不受偏振复用数目与偏振状态的限制。实验证明，所设计的透射型介质超表面，偏振全息转换效率可达40.2％，再现视场角可达106°，再现质量高、无孪生像干扰，能够广泛用于信息加密与防伪、光信息处理与计算、固态扫描与动态显示、先进制造工艺、新型检测、成像技术等技术领域。

附图说明

图1是本发明基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法的流程图；

图2是本发明公开的矢量相位全息图优化流程图；

图3是测试超表面偏振全息成像所使用的实验光路图；

其中P₁和P₂代表线偏振片，HWP代表1/2波片，QWP代表1/4波片，L₁和L₂代表会聚透镜，OBJ表示显微物镜，方框所圈元件表示可更换的偏振元件，用以产生或检测不同的偏振态，Sample为所加工超表面，CCD用以呈现全息图像，将CCD替换为功率计，可以检测偏振转换效率。

图4是实施例的设计与实验结果图，用于展示该方法在光学加密与防伪中的应用；

其中(A)分别表示入射邦加球上不同的偏振通道，圆点标注可能的入射偏振状态，五角星代表第一个密钥，即正确的入射偏振态；(B)表示超表面所加密的全息，其中

代表再现物体对于圆偏振基的相位响应，χ_j代表再现物体对于圆偏振基的振幅响应；(C)表示仅有第一把密钥，即入射偏振态解锁的再现图像；(D)表示出射邦加球上不同的偏振通道，五角星代表第二个密钥，即正确的出射偏振态；(E)表示不同入射/出射偏振通道所对应全息再现结果，再现结果第一行为仿真结果，第二行为实验测量结果，结果上方，第一个偏振态描述入射偏振，第二个偏振态描述出射偏振。

图5是实施例在更多偏振通道下的实验再现结果，incident所在纵轴方向描述入射偏振选择，analyzer所在横轴方向描述出射偏振选择。

图6是实施例在更多偏振通道下的理论再现结果。

图7是实施例的宽带再现效果和能量转换效率。

其中(A)分别表示在680nm，760nm，840nm实施例在t_rl通道的再现效果；(B)表示实施例在680nm至840nm对于t_rl、t_lr、t_rr、t_ll通道的偏振转换效率；(C)表示实施例提取有效信息后t_rl、t_lr通道的偏振全息转换效率。

具体实施方式

为了更好的介绍本发明的应用价值和优异性能，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

实施例：基于矢量相位超表面实现光学加密与防伪应用

如图1所示，本案例基于矢量相位型超表面实现高效、可定制化的偏振全息变换及复用，并应用于全息加密与防伪，具体实现方法如下：

步骤一：设计入射/出射偏振通道，各通道再现物体；根据优化算法计算两个圆偏振基对应的相位全息图。在此案例中，入射偏振

均为x线偏振态，使用χ_j和

表示各再现物体的出射偏振态

记为

设计7个不同的偏振通道，分别负责再现图4(B)所示各部分图像，图标自上至下的χ_j和

分别为[90°,0°,52.5°,45°,45°,45°,67.5°]和[0°,0°,45°,0°,60°,90°,-45°]。所编码矢量物体，右上角树叶对应出射偏振态为右旋圆偏振；左上角半侧羽翼对应出射偏振态为左旋圆偏振。根据公式(1)得到记录该矢量全息的琼斯矩阵，t_rl和t_lr解析解。根据图2所示优化流程图，计算超表面各像素点的相位分布，进行数次迭代后，得到t_rl和t_lr矢量相位分布

和

步骤二：建立人造原子的几何尺寸与光学响应之间的关联，选取合适的纳米单元结构，在t_rl和t_lr偏振通道记录步骤一所得到的相位分布

和

同步生成超表面加工文件。建立人造原子几何尺寸与光学响应之间关联的具体实现方法如下：

首先，选取非晶硅为人造原子材料，纳米柱为人造原子结构，固定纳米柱高度H为600nm，周期为400nm。考虑到非晶硅材料在红外波段的良好性能，固定工作波长为800nm，此处对应材料折射率为n＝3.8502+0.0109i。通过变换纳米柱水平横截面的长L_fin和宽W_fin，挑选t_rl和t_lr偏振通道振幅响应高、动态相位θ₀不一的结构。设定长L_fin和宽W_fin变换范围分别为80nm和240nm，经过严格耦合波分析方法(RCWA)计算，在800nm处的t_rl和t_lr偏振通道，振幅响应高于0.83的纳米柱结构，其动态相位充分覆盖0～2π。考虑到加工稳定性，从中选取了56个不同横截面积、不同动态相位的结构，所选取结构如表一所示。

根据发明内容所述，t_rl和t_lr的相位调制分别为θ₀+θ_p和θ₀-θ_p，根据步骤一所得到的纯相位分布

和

解算θ₀和θ_p，进一步确定所选取纳米柱结构及其转角，排列纳米柱，生成介质超表面加工文件。

步骤三：使用标准微纳加工工艺，制备超表面。

步骤四：根据发明内容所述入射/出射偏振选择对超表面再现光场的定量调制关系，将记录多重矢量光场的超表面作为光学密码本，入射、出射偏振态作为光学密钥，应用于光学加密与防伪中。

为得到自上至下的第二片羽翼被完全清除，第一片、第三片和第四片、第五片羽翼被不同程度点亮，其中第四片最亮的再现像，即目标加密图案，设置第一把光学密钥，即入射偏振

为x线偏振态，位于图4(A)中入射邦加球五角星位置，设置第二把密钥，即出射偏振态

为y线偏振态，位于图4(D)中出射邦加球五角星位置。使用图3所示光路图，测试超表面成像性能。使用偏振片与波片的组合构造起偏器和检偏器，产生不同入射/出射偏振通道。首先，采用正交圆偏振入射/出射通道t_rl和t_lr验证各子物体偏振态

是否编码正确，t_rl和t_lr通道再现结果如图4(E)所示，实验结果与理论计算一致。改变偏振调制，当仅有x线偏振光入射，出射端无检偏装置时，所得到全息图像如图4(C)所示。增加第二把密钥，将出射偏振调制为y线偏振态，再现像可查考图4(E)第三列，实验再现效果与理论计算一致。对比图4(C)和图4(E)可知，当入射密钥与出射密钥匹配时，加密图案才能显现。任何一把密钥错误或缺失，则无法破解密图。由于入射与出射偏振态能够在各自邦加球上独立设定，当密钥缺失时，此光学加密方式能够同时产生大量伪装图案，在入射与出射偏振态均未被获取的情况下，极难在两个斯托克斯空间正确解密密图。相较于其他光学加密方式，此方案的同步伪装信息，原理上不受数目限制。图5展示了此实施例在更多入射/出射偏振通道选择下的实验再现结果，图6展示了与图5对应的基于发明内容步骤四所述定量模型的理论计算结果，两者具有高度一致性，从中可见，此方法的可靠性与精确性。并且，通过设计两把时序变化的光学密钥，基于此光学密码本能够实现更多加密信息的组合，适用于复杂多变的环境条件。当两把密钥，即入射偏振态和出射偏振态，与作为密码本的超表面被独立传送时，即便超表面的偏振调制性能被破解，由于无法同时掌握两把可以实时变化的密钥，仍然无法破解密文或密图信息。

基于非晶硅在近红外波段动态相位的稳定性，此器件展现了很好的宽带效应。如图7(A)所示，在680nm至840nm的波长范围内，特定偏振通道t_rl的再现像，均展现了一致的成像效果。由于采用矢量相位编码方式和高效的介质超表面，如图7(B)所示，实验测量此器件的偏振转换效率高达57.9％。综合评估所存在的背景噪声、中央零级等干扰，如图7(C)所示，偏振全息的转换效率高达40.2％。相较于复振幅编码方案，该方法在实现大容量、多通道、可定制化的偏振全息变换的同时，保证了极高的转换效率。同时，由于亚波长像素编码，该方案视场范围得到极大提升，所设计样品覆盖了106°的视场角。相较之前的研究方案，该方案将偏振调制自由度拓展至入射与出射两个斯托克斯偏振空间，入射偏振与出射偏振相互独立，可以任意调制入射偏振态或出射偏振态，或实现两者随机组合，适用于不同需求的实际应用案例。

综上所述，本实施例公开的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，以亚波长人造原子为载体，基于矢量相位优化方式，建立了入射与出射两个独立斯托克斯偏振空间的全息关联，极大扩展了信息复用维度与信息容量，提升了偏振全息调制效率，增强视场、分辨率等视觉体验。通过改变不同的入射/出射偏振通道，再现矢量光场整体形貌能够被进一步调制，适用于复杂变换与动态显示。该方法依托于微纳光学平台，轻薄紧凑，可与液晶等可调偏振元件集成，构造智能化光电可调器件。基于偏振的应用价值和研究意义，所述方法可助力动态波前调控、动态全息成像、全息光镊、微纳加工制造等诸多领域。

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.基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：对多偏振通道复用的全息光场，建立入射偏振空间至出射偏振空间的全息编码方式，优化获取能够高质量重构多偏振通道复用全息的相位分布；

步骤一中，

入射偏振态与出射偏振态相互独立、多偏振通道复用的全息光场编码方式具体如下：

采用琼斯矩阵J来描述入射偏振光场转换为出射偏振全息的过程，记第j个入射偏振态和出射偏振态分别为

和

对于

入射/

出射的偏振通道，记再现物体振幅为A_j，所对应的傅里叶空间的复振幅全息h_j满足

其中

代表傅里叶变换算符；基于傅里叶变换的线性可加原理，再现光场的偏振复用全息为

由于任意偏振态能够由一对正交偏振基描述，超表面对于两个正交圆偏振转换通道拥有独特相位调制能力，为方便后续超表面人造原子的设计，在此使用透射的正交圆偏振通道t_rl与t_lr编码偏振全息，并保证t_rl和t_lr两通道拥有接近百分百转换效率；其中t_rl为左旋圆偏振|L>入射/右旋圆偏振|R>出射通道，t_lr为右旋圆偏振|R>入射/左旋圆偏振|L>出射通道；因此，t_rl和t_lr通道所编码的复振幅全息分别为

和

其中

代表

在偏振基|R>上的复振幅分量，

代表

在偏振基|L>上的复振幅分量；在此基础上，记录多通道偏振复用全息的琼斯矩阵J的表达式为：

为提升偏振全息再现效率，将传统的标量相位型全息优化方式拓展为矢量相位型全息优化方式，得到矢量相位分布

和

具体实现方法如下：

首先，随机生成t_rl和t_lr两个通道的纯相位全息图

和

用之再现物体，将再现光场分别记录为E_R和E_L；对于入射偏振

的再现矢量目标

采用轮换的迭代过程：对于奇数次迭代，选择保留再现像E_R的纯相位，记为公共相位项

对于偶数次迭代，选择保留再现像E_L的纯相位，记为公共相位项

将所述公共相位项

与目标振幅A_j和入射、出射偏振态进行混合运算，同时得到此次迭代下的物体混合计算结果E′_R和E′_L，其中

将所得到结果进行反傅里叶变换，提取相位项，作为新一轮迭代的相位全息图

和

重复所述迭代过程，直至得到t_rl和t_lr的相位优化结果

和

步骤二：根据步骤一所得到的相位分布，考虑超表面人造原子响应特性，选定超表面材料与工作波段，设计超表面的单元结构，确定人造原子的几何尺寸与排列方式，进而生成超表面加工文件；

步骤三：采用标准微纳加工工艺，根据步骤二得到的超表面加工文件，制备超表面；

步骤四：在步骤一的基础上，建立不同入射/出射偏振调制下超表面所记录矢量光场的变换和复用模型，进一步提升超表面调制自由度与复用能力。

2.如权利要求1所述的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，其特征在于：步骤二中，

人造原子的设计目标为：首先，在t_rl和t_lr偏振通道，转换效率接近100％；其次，对t_rl和t_lr偏振通道的相位调制覆盖0～2π，并且，两通道相位独立、不相互干扰，所述目标通过动态相位和几何相位共同作用来实现；由于单层人造原子的结构对称性，t_rl和t_lr通道具有相同的动态相位θ₀，并且，所述动态相位能够通过改变人造原子的几何尺寸进行调节；通过平面旋转人造原子，在t_rl和t_lr通道分别获取与平面转角相关的几何相位±θ_p，所述几何相位与平面转角成2倍关系；因此，t_rl和t_lr通道各自对应的调制相位分别为θ₀+θ_p和θ₀-θ_p，相互独立并且覆盖0～2π；根据步骤一所得的矢量相位全息图

和

计算人造原子所对应几何转角θ_p/2和几何尺寸，确定记录全息图的超表面阵列，并生成超表面加工文件。

3.如权利要求2所述的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，其特征在于：步骤四中，

首先，调制超表面的入射偏振态，将实际调制的入射偏振态记为

根据公式(1)可知，此时出射光场为：

此时，各再现物体的光场和强度分布为

和

当入射偏振态

和预先设置的偏振态

相同时，再现物体取得最大强度值，对应出射偏振态为

反之，若

和预先设置的

不同，出射偏振态由公式(2)决定，不再为

当

或

与

在|R>和|L>偏振基上的分量仅存在相位延迟，再现物体强度I_j不发生改变，否则，根据定量关系变化；

对出射光场进行偏振调制，设置出射偏振通道为

此时，各子图像的光场和强度会被进一步调制为：

当入射偏振与子物体预设入射偏振相同时

上式可简化为

和

此时，再现物体I_j的强度取决于调制偏振

与预设出射偏振

的相关性，若

再现物体I_j取得强度最大值；根据公式(3)和公式(4)，能够对超表面所编码矢量全息进行进一步调制，增加动态调制自由度，设计时序动态成像。

4.如权利要求3所述的基于矢量相位超表面定制高效偏振全息变换及复用的方法，其特征在于：用于信息加密与防伪、光信息处理与计算、固态扫描与动态显示、先进制造工艺、成像技术领域，解决相关工程技术问题。

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