CN114967123B - 一种超表面及其设计方法、基于超表面的全息显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种超表面及其设计方法、基于超表面的全息显示方法。本发明将构成超表面的纳米柱单元结构的结构参数作为第一相位影响因素，将超表面所处环境的折射率作为第二相位影响因素，结合两种相位影响因素对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得超表面在不同环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。本发明提供了一种可轻松实施大面积相位主动调控和多通道显示的浸液式超表面全息技术，具有显著的研究意义和实用价值。

Description

一种超表面及其设计方法、基于超表面的全息显示方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种超表面及其设计方法、基于超表面的全息显示方法。

背景技术

得益于对光束振幅、相位和偏振的独特操控能力，光学超表面已经成为了一个新兴的研究领域。同时，随着纳米加工技术的不断发展，针对光学超表面这一类平面光学元件，越来越多的设计和加工方法被提出。相应地，多种光学超表面应用也被展示验证，如光束操控、超表面透镜、超表面全息等。其中，超表面全息作为一种典型应用，由于其微型化、高存储密度和操纵自由度的特点，在光学信息加密、传感、显示复用和增强现实等实际应用方面表现出了非凡的潜力。

大多数传统的超表面全息片工作在被动模式下，可以表现出静态全息显示的功能。即当超表面加工完成后，其功能随之确定下来，不能后续进行人为主动控制。目前，由于加工工艺和调控技术的发展，已有多种可主动调控的超表面全息设计方法被提出和研究，如电控、热控、光控和机械控制等方法。但实现这些调控方法往往对结构设计和激励控制有较高的要求，因而在一定程度上具有应用的难度。

发明内容

本发明通过提供一种超表面及其设计方法、基于超表面的全息显示方法，解决现有技术中可调控超表面的结构设计和激励控制要求较高，存在应用难度的问题。

第一方面，本发明提供一种超表面的设计方法，将构成超表面的纳米柱单元结构的结构参数作为第一相位影响因素，将所述超表面所处环境的折射率作为第二相位影响因素；利用电磁数值仿真对纳米柱单元结构进行模拟计算，结合所述第一相位影响因素和所述第二相位影响因素对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得所述超表面在不同环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。

优选的，所述超表面的设计方法包括以下步骤：

步骤1、设计超表面结构：所述超表面包括基底和设置在所述基底上的纳米柱结构阵列，所述纳米柱结构阵列包括若干个呈周期性排列且具有相同高度的纳米柱单元结构，所述纳米柱结构阵列中的各个纳米柱单元结构具有可单独设置的结构参数，所述结构参数包括几何尺寸和转角；

步骤2、计算纳米柱单元结构相位延迟：通过电磁数值仿真，计算特定工作波长下，具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在干燥和浸润两种环境下对圆偏光交叉极化分量的传输相位延迟值，以及具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在两种环境下的相位延迟差值；

步骤3、设计两种环境下的全息图案和重建全息图像的相位分布：利用迭代傅里叶算法计算干燥和浸润两种环境下的目标全息相位，将两种目标全息相位的差值与步骤2中得到的具有不同几何尺寸的纳米柱结构单元的相位延迟差值相对应，对所述超表面中的若干个纳米柱单元结构进行选择排布；计算完成选择排布后的所述超表面的相位分布与目标全息相位之间的差值，通过调整纳米柱单元结构的转角引入几何相位对所述超表面的相位分布进行补偿性调整，使所述超表面在两种环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。

优选的，所述基底采用折射率低于第一阈值的透明光学材料制成，所述纳米柱单元结构采用折射率高于第二阈值的电介质材料制成；若干个纳米柱单元结构沿x轴方向以及y轴方向呈阵列式周期分布，相邻两个纳米柱单元结构之间的距离为预设周期值；若干个纳米柱单元结构均为长方体结构，或者，若干个纳米柱单元结构均为椭圆柱结构，或者，若干个纳米柱单元结构包括多个长方体结构和多个椭圆柱结构；所述长方体结构的几何尺寸包括长度、宽度和高度，所述长方体结构的长边与x轴的夹角作为所述转角；所述椭圆柱结构的几何尺寸包括长轴、短轴和高度，所述椭圆柱结构的长轴与x轴的夹角作为所述转角。

优选的，所述步骤2中，浸润环境使用第一溶液，利用电磁数值仿真方法，分别在空气和第一溶液环境下，对纳米柱单元结构的几何尺寸进行广泛扫描，计算得到左旋圆偏光入射到纳米柱单元结构进行正交偏振转化形成的右旋圆偏光的传输相位延迟值。

优选的，利用几何相位对于左旋圆偏光和右旋圆偏光的差异，结合所述第一相位影响因素、所述第二相位影响因素以及偏振条件对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得所述超表面在不同环境下、不同偏振条件下的相位分布分别对应该环境和偏振该条件下的目标全息相位。

第二方面，本发明提供一种超表面，采用上述的超表面的设计方法制备得到。

第三方面，本发明提供一种基于超表面的全息显示方法，将采用上述的超表面的设计方法制备得到的超表面固定在密封盒中；通过激光器发射光束，沿光路方向依次设置第一调节单元、所述密封盒、第二调节单元和光屏；所述第一调节单元用于对光束进行调节得到需求光束，所述需求光束垂直所述超表面的基底入射，所述第二调节单元用于滤除未调制的光束；通过在所述密封盒中填充空气或第一溶液改变所述超表面的周围折射率，以在所述光屏上观察到不同的全息显示图像。

优选的，所述第一调节单元包括第一偏振片和第一四分之一波片，所述第二调节单元包括第二四分之一波片和第二偏振片。

优选的，所述超表面中的单个纳米柱单元结构可表现出两种相位信息，分别为：空气中相位、第一溶液中相位；

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第一全息显示图像；

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第二全息显示图像。

优选的，所述超表面中的单个纳米柱单元结构可表现出四种相位信息，分别为：空气中传输相位与几何相位之和、空气中传输相位与几何相位之差、第一溶液中传输相位与几何相位之和、第一溶液中传输相位与几何相位之差；

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第一全息显示图像；

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第二全息显示图像；

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生右旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使左旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第三全息显示图像；

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生右旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使左旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第四全息显示图像。

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：

在本发明中，将构成超表面的纳米柱单元结构的结构参数作为第一相位影响因素，将超表面所处环境的折射率作为第二相位影响因素，结合两种相位影响因素对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得超表面在不同环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。本发明利用纳米柱单元结构在两种环境下不同的传输相位，连接了两种环境下设计全息显示的相位，使浸液式超表面具有了可调控全息显示的功能。本发明提供了一种可轻松实施大面积相位主动调控和多通道显示的浸液式超表面全息技术，具有显著的研究意义和实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超表面的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种超表面中两类纳米柱单元结构的示意图；

图3是七种具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在两种环境下的传输相位延迟；

图4是七种具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在两种环境下的相位延迟差值；

图5是本发明实施例提供的一种基于超表面的全息显示方法中全息重现光路示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于超表面的全息显示方法中双通道全息结果模拟图；

图7是本发明实施例提供的一种基于超表面的全息显示方法中四通道全息结果模拟图。

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提供一种超表面的设计方法，将构成超表面的纳米柱单元结构的结构参数作为第一相位影响因素，将所述超表面所处环境的折射率作为第二相位影响因素；利用电磁数值仿真对纳米柱单元结构进行模拟计算，结合所述第一相位影响因素和所述第二相位影响因素对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得所述超表面在不同环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。

具体的，所述超表面的设计方法包括以下步骤：

步骤1、设计超表面结构：所述超表面包括基底和设置在所述基底上的纳米柱结构阵列，所述纳米柱结构阵列包括若干个呈周期性排列且具有相同高度的纳米柱单元结构，所述纳米柱结构阵列中的各个纳米柱单元结构具有可单独设置的结构参数，所述结构参数包括几何尺寸和转角。

步骤2、计算纳米柱单元结构相位延迟：通过电磁数值仿真，计算特定工作波长下，具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在干燥(即在空气中)和浸润(即在液体中)两种环境下对圆偏光交叉极化分量的传输相位延迟值，以及具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在两种环境下的相位延迟差值。

例如，浸润环境使用第一溶液，利用电磁数值仿真方法，分别在空气和第一溶液环境下，对纳米柱单元结构的几何尺寸进行广泛扫描，计算得到左旋圆偏光入射到纳米柱单元结构进行正交偏振转化形成的右旋圆偏光的传输相位延迟值。

步骤3、设计两种环境下的全息图案和重建全息图像的相位分布：利用迭代傅里叶算法计算干燥和浸润两种环境下的目标全息相位，将两种目标全息相位的差值与步骤2中得到的具有不同几何尺寸的纳米柱结构单元的相位延迟差值相对应，对所述超表面中的若干个纳米柱单元结构进行选择排布；计算完成选择排布后的所述超表面的相位分布与目标全息相位之间的差值，通过调整纳米柱单元结构的转角引入几何相位对所述超表面的相位分布进行补偿性调整，使所述超表面在两种环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。

其中，所述基底采用折射率低于第一阈值的透明光学材料制成，所述纳米柱单元结构采用折射率高于第二阈值的电介质材料制成。例如，所述基底可采用二氧化硅、氧化铝等，所述纳米柱单元结构可采用硅、二氧化钛等。

参见图1、图2，若干个纳米柱单元结构沿x轴方向以及y轴方向呈阵列式周期分布，相邻两个纳米柱单元结构之间的距离为预设周期值p。若干个纳米柱单元结构均为长方体结构，或者，若干个纳米柱单元结构均为椭圆柱结构，或者，若干个纳米柱单元结构包括多个长方体结构和多个椭圆柱结构。所述长方体结构的几何尺寸包括长度l、宽度w和高度h，所述长方体结构的长边与x轴的夹角作为所述转角θ；所述椭圆柱结构的几何尺寸包括长轴a、短轴b和高度h，所述椭圆柱结构的长轴与x轴的夹角作为所述转角θ。

通过改变纳米柱单元结构的尺寸参数l、w、a和b，以及统一调整纳米柱单元结构的高度h，设计纳米柱单元结构在干燥(即在空气中)和浸润(即在液体中)环境下具有特定的两个传输相位延迟，并且可设计为具有特定传输相位延迟差值的情况；单元结构传输相位延迟差值可与空气中和液体浸润中两组目标全息相位的差值相对应。将两组目标全息相位的差值与纳米柱单元结构传输相位差值相对应，旋转纳米柱单元结构引入几何相位，对阵列的相位分布进行补偿性调整，最终获得在两种环境状态下表现两种不同相位分布的超表面全息片设计。

例如，参见图2，所述纳米柱结构阵列具体包含两类纳米柱单元结构。二氧化硅透明基底的厚度为500μm，纳米柱单元结构的高度h统一设置为380nm，纳米柱单元结构的周期p设置为500nm。在仿真和实际实验中，设计工作波长为633nm，浸润样品所需液体选择为甘油溶液。利用电磁数值仿真方法，分别在空气和甘油环境下，对纳米柱单元结构的几何尺寸进行广泛的扫描计算，计算得到左旋圆偏光入射到纳米柱单元结构在两种环境下进行正交偏振转化形成的右旋圆偏光的传输相位。图3示出了7种特定的纳米柱单元结构在两种环境下的传输相位。图4示出了这7中纳米柱单元结构的相位延迟差值。上述7种结构具体为：矩形柱编号为1、4、5、6，几何尺寸(l,w)分别为(380nm,120nm)、(160nm,120nm)、(360nm,280nm)、(360nm,180nm)；椭圆柱编号为2、3、7，几何尺寸(a,b)分别为(460nm,100nm)、(420nm,220nm)、(280nm,220nm)。

采用实施例1提供的设计方法得到的超表面可实现浸液式可调控空气和浸液环境双通道全息图像切换显示，可应用于液体传感、环境自适应显示、加密防伪等领域。

实施例2：

实施例2提供一种超表面的设计方法，与实施例1不同的是，实施例2还利用了几何相位对于左旋圆偏光和右旋圆偏光的差异，结合所述第一相位影响因素、所述第二相位影响因素以及偏振条件对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得所述超表面在不同环境下、不同偏振条件下的相位分布分别对应该环境和偏振该条件下的目标全息相位。

实施例2涉及的超表面整体结构布局、单元结构选择与实施例1类似。不同的是，实施例2通过对结构调控自由度的进一步利用，可以在最终的超表面上集成四组相位分布。

实施例3：

实施例3提供一种超表面，采用实施例1或实施例2提供的超表面的设计方法制备得到。

实施例4：

实施例4提供一种基于超表面的全息显示方法，参见图5，将采用如实施例1或实施例2所述的超表面的设计方法制备得到的超表面固定在密封盒中；通过激光器发射光束，沿光路方向依次设置第一调节单元、所述密封盒、第二调节单元和光屏；所述第一调节单元用于对光束进行调节得到需求光束，所述需求光束垂直所述超表面的基底入射，所述第二调节单元用于滤除未调制的光束；通过在所述密封盒中填充空气或第一溶液改变所述超表面的周围折射率，以在所述光屏上观察到不同的全息显示图像。

其中，所述第一调节单元包括第一偏振片(即偏振片1)和第一四分之一波片(即四分之一波片1)，所述第二调节单元包括第二四分之一波片(即四分之一波片2)和第二偏振片(即偏振片2)。

下面对两种具体的基于超表面的全息显示方法分别进行说明。

(1)将采用如实施例1所述的超表面的设计方法制备得到的超表面固定在密封盒中。即为一种浸液式可调控超表面的双通道全息切换显示方法。

所述超表面中的单个纳米柱单元结构可表现出两种相位信息，分别为：空气中相位、第一溶液中相位。

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第一全息显示图像。

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第二全息显示图像。

为了便于理解本发明技术方案，下面将详细介绍本发明结构能实现浸液式可调控双通道全息显示切换的技术原理：

光在纳米柱的传输相位延迟与其电磁共振相关，而电磁共振受到纳米柱几何形状尺寸和周围环境折射率影响。因此，不同形状尺寸的纳米柱可以产生不同的相位延迟，并且通过人为改变周围环境折射率可以进一步人为改变相位延迟。首先，通过迭代傅里叶算法计算两幅目标图像的全息相位，根据两种全息相位的差值对应图4中7种结构传输相位差值排布纳米柱单元结构。进一步，由于纳米柱的转角可以引入圆偏光的几何相位。根据排布后的纳米柱的相位分布和目标全息相位的差值进行几何相位补偿，即结构转角的补偿调整，最终得到完整的纳米柱阵列结构。

为了对目标图像进行全息重现，采用图5所示的光路图。由于在理论设计阶段均采用左旋圆偏光，因此引入两组偏振片和四分之一波片组合来分别获得所需光束(仅产生左旋圆偏光)和滤除未调制的光束(仅通过右旋圆偏光)。另外，设计制造的超表面样品固定在密封盒里，光束垂直基底表面入射。通过在密封盒中填充空气或者甘油溶液可以改变超表面的周围折射率。最终，在填充空气或者甘油溶液时，光屏上可观察到图6所示的两种不同的全息显示图像。

(2)将采用如实施例2所述的超表面的设计方法制备得到的超表面固定在密封盒中。即为一种结合圆偏振切换和浸液式可调控超表面四通道全息切换显示方法。

所述超表面中的单个纳米柱单元结构可表现出四种相位信息，分别为：空气中传输相位与几何相位之和、空气中传输相位与几何相位之差、第一溶液中传输相位与几何相位之和、第一溶液中传输相位与几何相位之差。

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第一全息显示图像。

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第二全息显示图像。

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生右旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使左旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第三全息显示图像。

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生右旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使左旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第四全息显示图像。

为了便于理解本发明技术方案，下面将详细介绍本发明结构能实现结合圆偏振切换和浸液式可调控四通道全息显示切换的技术原理：

对于纳米柱的传输相位延迟，对于左旋圆偏光转化到右旋和右旋圆偏光转化到左旋的情况是一致的，仅受到环境的影响；而对于由于纳米柱旋转产生的几何相位，对于左旋圆偏光转化到右旋和右旋圆偏光转化到左旋的两种情况，其数值是互为相反数，并且不受环境影响。因此，传输相位和几何相位叠加后，在不同环境下对不同的圆偏光表现出不同的相位调制。具体而言，单个的具有特定旋转角度的纳米柱单元结构，在左旋光入射右旋光出射的情况下可以在空气和甘油浸润环境中表现出两组相位分布，而在右旋光入射左旋光出射的情况下可以表现出另外两组不同的相位分布。因此，单个纳米柱单元结构可表现出的四种相位信息，具体数值为空气中传输相位与几何相位之和、空气中传输相位与几何相位之差、甘油中传输相位与几何相位之和，以及甘油中传输相位与几何相位之差。在全息相位设计中，可以利用模拟退火算法等优化算法对四组全息相位结合目标图像同时进行优化计算，并且根据传输相位的差值与结构选择的对应关系，以及几何相位与结构旋转角度的对应关系，映射得到最终的阵列排布设计。

全息重现采用图5所示的光路图。在密封盒充满空气的情况下，调整第一偏振片和第一四分之一波片，产生左旋圆偏光，垂直照射到样片表面，调整第二四分之一波片和第二偏振片，使右旋圆偏光通过，可在光屏上观察到“飞鸟”全息图像；调整第一偏振片和第一四分之一波片，产生右旋圆偏光，垂直照射到样片表面，调整第二四分之一波片和第二偏振片，使左旋圆偏光通过，可在光屏上观察到“蝴蝶”全息图像。在密封盒充满甘油溶液浸润样品的情况下，调整第一偏振片和第一四分之一波片，产生左旋圆偏光，垂直照射到样片表面，调整第二四分之一波片和第二偏振片，使右旋圆偏光通过，可在光屏上观察到“海豚”全息图像；调整第一偏振片和第一四分之一波片，产生右旋圆偏光，垂直照射到样片表面，调整第二四分之一波片和第二偏振片，使左旋圆偏光通过，可在光屏上观察到“鲸鱼”全息图像。上述结果如图7所示。

综上，本发明提供的浸液式超表面的结构包括透明平面基底和设置在该基底上的纳米柱结构阵列。若干个纳米柱单元结构具有统一的排列周期和高度，并且具有可以单独设置的几何尺寸和转角。其中，纳米柱单元结构的几何尺寸的改变提供了设计浸液式可变传输相位的自由度；而纳米柱单元结构的转角提供的几何相位具有环境稳定性，为设计全息相位分布提供了补偿。本发明利用纳米柱单元结构在两种环境下不同的传输相位，连接了两种环境下设计全息显示的相位，使浸液式超表面具有了可调控全息显示的功能。进一步地，利用几何相位对于左旋光和右旋光的差异，结合偏振控制增加了全息显示的通道数。本发明具有调控简单、设计灵活和可对全息片大面积同时调控的特点，可以应用于液体传感、环境适应显示和加密防伪等领域。

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 (9)

1.一种超表面的设计方法，其特征在于，将构成超表面的纳米柱单元结构的结构参数作为第一相位影响因素，将所述超表面所处环境的折射率作为第二相位影响因素；利用电磁数值仿真对纳米柱单元结构进行模拟计算，结合所述第一相位影响因素和所述第二相位影响因素对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得所述超表面在不同环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位；

包括以下步骤：

步骤1、设计超表面结构：所述超表面包括基底和设置在所述基底上的纳米柱结构阵列，所述纳米柱结构阵列包括若干个呈周期性排列且具有相同高度的纳米柱单元结构，所述纳米柱结构阵列中的各个纳米柱单元结构具有可单独设置的结构参数，所述结构参数包括几何尺寸和转角；

步骤2、计算纳米柱单元结构相位延迟：通过电磁数值仿真，计算特定工作波长下，具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在干燥和浸润两种环境下对圆偏光交叉极化分量的传输相位延迟值，以及具有不同几何尺寸的纳米柱单元结构在两种环境下的相位延迟差值；

步骤3、设计两种环境下的全息图案和重建全息图像的相位分布：利用迭代傅里叶算法计算干燥和浸润两种环境下的目标全息相位，将两种目标全息相位的差值与步骤2中得到的具有不同几何尺寸的纳米柱结构单元的相位延迟差值相对应，对所述超表面中的若干个纳米柱单元结构进行选择排布；计算完成选择排布后的所述超表面的相位分布与目标全息相位之间的差值，通过调整纳米柱单元结构的转角引入几何相位对所述超表面的相位分布进行补偿性调整，使所述超表面在两种环境下的相位分布分别对应该环境下的目标全息相位。

2.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，所述基底采用折射率低于第一阈值的透明光学材料制成，所述纳米柱单元结构采用折射率高于第二阈值的电介质材料制成；若干个纳米柱单元结构沿x轴方向以及y轴方向呈阵列式周期分布，相邻两个纳米柱单元结构之间的距离为预设周期值；若干个纳米柱单元结构均为长方体结构，或者，若干个纳米柱单元结构均为椭圆柱结构，或者，若干个纳米柱单元结构包括多个长方体结构和多个椭圆柱结构；所述长方体结构的几何尺寸包括长度、宽度和高度，所述长方体结构的长边与x轴的夹角作为所述转角；所述椭圆柱结构的几何尺寸包括长轴、短轴和高度，所述椭圆柱结构的长轴与x轴的夹角作为所述转角。

3.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，浸润环境使用第一溶液，利用电磁数值仿真方法，分别在空气和第一溶液环境下，对纳米柱单元结构的几何尺寸进行广泛扫描，计算得到左旋圆偏光入射到纳米柱单元结构进行正交偏振转化形成的右旋圆偏光的传输相位延迟值。

4.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，利用几何相位对于左旋圆偏光和右旋圆偏光的差异，结合所述第一相位影响因素、所述第二相位影响因素以及偏振条件对若干个纳米柱单元结构进行排布设计，使得所述超表面在不同环境下、不同偏振条件下的相位分布分别对应该环境和偏振该条件下的目标全息相位。

5.一种超表面，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一项所述的超表面的设计方法制备得到。

6.一种基于超表面的全息显示方法，其特征在于，将采用如权利要求1-4中任一项所述的超表面的设计方法制备得到的超表面固定在密封盒中；通过激光器发射光束，沿光路方向依次设置第一调节单元、所述密封盒、第二调节单元和光屏；所述第一调节单元用于对光束进行调节得到需求光束，所述需求光束垂直所述超表面的基底入射，所述第二调节单元用于滤除未调制的光束；通过在所述密封盒中填充空气或第一溶液改变所述超表面的周围折射率，以在所述光屏上观察到不同的全息显示图像。

7.根据权利要求6所述的基于超表面的全息显示方法，其特征在于，所述第一调节单元包括第一偏振片和第一四分之一波片，所述第二调节单元包括第二四分之一波片和第二偏振片。

8.根据权利要求6所述的基于超表面的全息显示方法，其特征在于，所述超表面中的单个纳米柱单元结构可表现出两种相位信息，分别为：空气中相位、第一溶液中相位；

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第一全息显示图像；

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第二全息显示图像。

9.根据权利要求6所述的基于超表面的全息显示方法，其特征在于，所述超表面中的单个纳米柱单元结构可表现出四种相位信息，分别为：空气中传输相位与几何相位之和、空气中传输相位与几何相位之差、第一溶液中传输相位与几何相位之和、第一溶液中传输相位与几何相位之差；

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第一全息显示图像；

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生左旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使右旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第二全息显示图像；

在所述密封盒中填充空气时，通过调整所述第一调节单元产生右旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使左旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第三全息显示图像；

在所述密封盒中填充所述第一溶液时，通过调整所述第一调节单元产生右旋圆偏光，通过调整所述第二调节单元使左旋圆偏光通过，所述光屏上可观察到第四全息显示图像。

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