CN114966905B - 可实现纳米印刷加密的双层超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现纳米印刷加密的双层超表面。该双层超表面中包含第一超表面和第二超表面，第一超表面和第二超表面均由周期性单元结构组成，单元结构由纳米砖和基底构成，第一超表面上纳米砖有两种不同的尺寸，对入射光分别起到透射式偏振片和透射式半波片的功能；第二超表面上纳米砖对入射光起到透射式偏振片的功能。本发明中的第一超表面和第二超表面分别对入射光进行偏振和强度的调制，透射光通过第一超表面后偏振空间分布但不显示强度信息，信息以偏振态的形式被加密到透射光当中，通过第二超表面后透射光的强度受到调制，显示出加密的信息。本发明可应用于信息加密、防伪等领域，为信息高效安全传递提供了一种新的方法。

Description

可实现纳米印刷加密的双层超表面
技术领域
本发明涉及微纳光学及信息加密领域，具体涉及一种可实现纳米印刷加密的双层超表面。
背景技术
超表面作为一种由周期性单元结构组成的亚波长平面材料，可以通过设计实现替代传统光学所具备的功能，如透镜、涡旋光发生器、分束器、全息片、纳米印刷等。与传统光学元件相比，超表面具有轻量化、设计灵活度高、空间分辨率高、集成度高、与半导体工艺兼容等诸多优势。然而，目前利用超表面实现的纳米印刷信息未经加密，可被直接观察到，其安全性不高，容易泄露。加密后的纳米印刷信息能够大大提高信息传递的安全性，还可为信息加密、防伪等领域提供一种新的技术方案。因此，纳米印刷加密显示具有很好的应用发展前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种可实现纳米印刷加密的双层超表面，该双层超表面包含第一超表面和第二超表面，第一超表面和第二超表面均由周期性单元结构组成，单元结构则由纳米砖和基底构成，第一超表面上，纳米砖有两种不同的尺寸，对入射光分别起到透射式偏振片和透射式半波片的功能；第二超表面上，纳米砖对入射光起到透射式偏振片的功能。本发明中的第一超表面和第二超表面分别对入射光进行偏振和强度的调制，透射光在通过第一超表面后偏振空间分布但不显示强度信息，信息以偏振态的形式被加密到透射光当中，通过第二超表面后透射光的强度收到调制，显示出加密的信息。
为实现上述功能及目的，本发明提供了一种可实现纳米印刷加密的双层超表面，其特征在于：
由第一超表面和第二超表面组成，第一超表面和第二超表面均由周期性单元结构组成，单元结构则由纳米砖和基底构成；
所述第一超表面上，纳米砖有两种不同的尺寸，分别对透射光起到偏振片和半波片的功能；所述第二超表面上，纳米砖对透射光起到偏振片的功能；
所述第一超表面和第二超表面上的单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有纳米砖；第一超表面和第二超表面上起到相同功能的纳米砖的尺寸相同，其作为偏振片的纳米砖的尺寸为长L1，宽W1，高H1；其作为半波片的纳米砖的尺寸为长L2，宽W2，高H2，这是根据选定的所述入射光波长，通过电磁仿真优化得到；
以单元结构直角为x轴和y轴，纳米砖长边为长轴，短边为短轴，第一超表面的纳米砖长轴与x轴夹角为纳米砖转角θ1，第二超表面的纳米砖长轴与x轴夹角为纳米砖转角θ2；
每个纳米砖的转角可以单独设置。
作为优选方案，所述第一超表面和第二超表面单元结构的基底为熔融石英玻璃材料，纳米砖为硅材料。
进一步地，通过优化设计，在工作波长下，所述第一超表面和第二超表面为透射式工作，第一超表面上的纳米砖有两种尺寸，分别起到偏振片和半波片的功能；第二超表面上的纳米砖起到偏振片的功能。
更进一步地，当任意偏振态的光入射至所述第一超表面时，其透射光偏振态会受到调制，透射光通过偏振片的部分变为线偏光，偏振方向与第一超表面上纳米砖的转角相同，为θ1，强度变为入射光的1/2；透射光通过纳米半波片的部分仍为任意偏振态，强度不变；
透射光继续透过所述第二超表面时，其强度会受到调制，透射光中线偏光部分受到的强度调制由下式说明：
Figure BDA0003724472040000021
其中I0为入射光的强度；透射光中任意偏振态部分的调制量为It＝I0/2。
更进一步地，通过优化设计，所述第一超表面的纳米砖转角θ1和第二超表面的纳米砖转角θ2，当任意偏振态的光通过第一超表面时，其透射光偏振态受到调制，信息以偏振态的形式加密到透射光当中，通过第二超表面后，透射光的强度受到调制，显示出纳米印刷信息。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明所设计的可实现纳米印刷加密的双层超表面，能够先后对光波进行偏振态和强度的调制，当缺少双层超表面中的第二超表面时，信息被加密在偏振态当中，无法被获取，实现纳米印刷信息加密。
2、该双层超表面中纳米印刷信息加密高效安全，能够应用于信息隐藏、加密等领域，能够辅助高端产业进行防伪。
3、超表面纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的超表面体积小、重量轻、可高度集成，适应于小型化、微型化的发展。
4、该双层超表面加工工艺与半导体工艺相兼容，能够大批量制造，生产速度快、成本低。
附图说明
图1为本发明实施例中超表面纳米单元结构示意图。
图2为本发明实施例中纳米起偏器长短轴透射率扫描图。
图3为本发明实施例中纳米半波片交叉偏振转化效率扫描图。
图4为本发明实施例中超表面实现纳米印刷加密效果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图具体说明本发明的实施方式和原理设计以及技术效果。
实施例1
本发明实施例提供一种可实现纳米印刷加密的双层超表面，该双层超表面包含第一超表面和第二超表面，第一超表面和第二超表面均由周期性单元结构组成，单元结构则由纳米砖和基底构成，第一超表面上，纳米砖有两种不同的尺寸，对入射光分别起到透射式偏振片和透射式半波片的功能；第二超表面上，纳米砖对入射光起到透射式偏振片的功能。本发明中的第一超表面和第二超表面分别对入射光进行偏振和强度的调制，透射光在通过第一超表面后偏振空间分布但不显示强度信息，信息以偏振态的形式被加密到透射光当中，通过第二超表面后透射光的强度收到调制，显示出加密的信息。
实例中第一超表面和第二超表面单元结构的基底为熔融石英玻璃材料，纳米砖为硅材料。如图1所示，超表面上每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有纳米砖，第一超表面和第二超表面上起到相同功能的纳米砖的尺寸相同，纳米砖的尺寸参数有长、宽、高，单元结构的尺寸有边长，这些参数通过电磁仿真软件在工作波长下仿真优化得到。
通过优化设计，在工作波长下，第一超表面和第二超表面为透射式工作，第一超表面上的纳米砖有两种尺寸，分别起到偏振片和半波片的功能；第二超表面上的纳米砖起到偏振片的功能。
以工作波长λ＝1550nm为例，采用电磁仿真软件CST Studio Suite来对1450～1650nm波段进行超表面单元结构的建模和仿真。在仿真软件中设置完仿真波段，以线偏光垂直入射超表面单元结构来优化偏振片，扫描其各个尺寸参数并仿真，观察并比较仿真结果中超表面单元结构上纳米砖长轴的透过率和短轴的透过率，选取长轴透过率尽可能低，并且短轴透过率尽可能高的尺寸参数，选取的尺寸参数为：L1＝400nm，W1＝210nm，H1＝490nm，C＝720nm，此时的仿真结果如图2所示，在工作波长1550nm处，长轴的透射率小于5％，短轴的透射率大于90％，此时的结构可以当作偏振片使用，其可以将任意偏振态的光调制为沿短轴方向偏振的线偏光。
以圆偏光垂直入射来优化半波片，扫描其各个尺寸参数并仿真，观察并比较仿真结果中的交叉偏振转化效率，选取交叉偏振转化效率高的尺寸参数，选取的尺寸参数为：L2＝380nm，W2＝250nm，H2＝800nm，C＝720nm，此时的仿真结果如图3所示，在工作波长1550nm处，交叉偏振转化效率大于90％，而未受调制的同向圆偏光接近0，因此可以当作半波片来使用，任意偏振态的光可以分解为携带不同相位的左右旋圆偏光，通过半波片后仅仅改变相位，其偏振态任为任意偏振态。
当任意偏振态的光入射至第一超表面时，其透射光偏振态会受到调制，透射光通过偏振片的部分变为线偏光，偏振方向与第一超表面上纳米砖的转角相同，为θ1，强度变为入射光的1/2；透射光通过纳米半波片的部分仍为任意偏振态，强度不变。
透射光继续透过第二超表面时，其强度会受到调制，透射光中线偏光部分受到的强度调制由下式说明：
Figure BDA0003724472040000041
其中I0为入射光的强度；透射光中任意偏振态部分的调制量为It＝I0/2。
综上，当任意偏振态的光入射至第一超表面时，透射光的偏振态受到调制，部分光被调制为沿不同方向的线偏光，剩余的光仍为任意偏振态，纳米印刷信息被加密到偏振态空间分布的透射光中，当透射光通过第二超表面时，其强度受到调制，调制量受到第一超表面上纳米砖尺寸以及第一超表面和第二超表面上纳米砖的转角影响，通过合理设计能够使透射光变为任意强度分布，显示出纳米印刷信息。即双层超表面能够实现基于超表面的纳米印刷加密，效果如图4所示。

Claims (4)

1.一种可实现纳米印刷加密的双层超表面，其特征在于：
由第一超表面和第二超表面组成，第一超表面和第二超表面均由周期性单元结构组成，单元结构则由纳米砖和基底构成；
所述第一超表面上，纳米砖有两种不同的尺寸，分别对透射光起到偏振片和半波片的功能；所述第二超表面上，纳米砖对透射光起到偏振片的功能；
所述第一超表面和第二超表面上的单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有纳米砖；第一超表面和第二超表面上起到相同功能的纳米砖的尺寸相同，其作为偏振片的纳米砖的尺寸为长L1，宽W1，高H1；其作为半波片的纳米砖的尺寸为长L2，宽W2，高H2，这是根据选定的所述入射光波长，通过电磁仿真优化得到；
以单元结构直角为x轴和y轴，纳米砖长边为长轴，短边为短轴，第一超表面的纳米砖长轴与x轴夹角为纳米砖转角θ1，第二超表面的纳米砖长轴与x轴夹角为纳米砖转角θ2；
每个纳米砖的转角能单独设置；
当任意偏振态的光入射至所述第一超表面时，其透射光偏振态会受到调制，透射光通过偏振片的部分变为线偏光，偏振方向与第一超表面上纳米砖的转角相同，为θ1，强度变为入射光的1/2；透射光通过纳米半波片的部分仍为任意偏振态，强度不变；
透射光继续透过所述第二超表面时，其强度会受到调制，透射光中线偏光部分受到的强度调制由下式说明：
Figure FDA0004124911820000011
其中I0为入射光的强度；透射光中任意偏振态部分的调制量为It＝I0/2。
2.如权利要求1所述的可实现纳米印刷加密的双层超表面，其特征在于：
所述第一超表面和第二超表面单元结构的基底为熔融石英玻璃材料，纳米砖为硅材料。
3.如权利要求1或2所述的可实现纳米印刷加密的双层超表面，其特征在于：
通过优化设计，在工作波长下，所述第一超表面和第二超表面为透射式工作，第一超表面上的纳米砖有两种尺寸，分别起到偏振片和半波片的功能；第二超表面上的纳米砖起到偏振片的功能。
4.如权利要求3所述的可实现纳米印刷加密的双层超表面，其特征在于：
通过优化设计，所述第一超表面的纳米砖转角θ1和第二超表面的纳米砖转角θ2，当任意偏振态的光通过第一超表面时，其透射光偏振态受到调制，信息以偏振态的形式加密到透射光当中，通过第二超表面后，透射光的强度受到调制，显示出纳米印刷信息。
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