CN114967396B - 可实现全息加密的双层超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现全息加密的双层超表面，涉及微纳光学及信息加密领域。该双层超表面包含第一超表面和第二超表面，可以实现全息图像的加密显示。该双层超表面中，第一超表面上的纳米砖随机分布为纳米起偏器、纳米半波片和纳米1/4波片，作为密钥，第二超表面上的纳米砖可以看作是纳米半波片，当任意偏振态的光入射，通过第一超表面后，透射光的相位受到调制，通过第二超表面后，透射光的相位再次受到调制，在远场重建出全息图像。本发明可应用于信息加密、防伪等领域。

Description

可实现全息加密的双层超表面
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全息加密的双层超表面。
背景技术
超表面作为一种超薄的亚波长结构，可以设计实现很多功能，如大数值孔径透镜、角反射器、涡旋光发生器、消色差透镜、纳米印刷等。超表面也可以用来实现全息，与传统光学元件相比，超表面全息术不需要真实物体就能记录全息信息，其具有设计灵活、空间分辨率高、集成度高等诸多优势。目前超表面全息信息显示未经加密，图像可被直接观察到。加密后的全息信息有利于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，加密全息具有很好的应用发展前景。
发明内容
本发明提出一种可实现全息加密的双层超表面，其包含第一超表面和第二超表面，第一超表面作为密钥，对入射光波进行相位调制，通过第二超表面再次对透射光进行相位调制，在远场重建出加密的全息信息。
为实现上述目的，本发明提供了一种可实现全息加密的双层超表面，该双层超表面包含第一超表面和第二超表面，可以实现全息图像的加密显示。该双层超表面中，第一超表面上的纳米砖随机分布为纳米起偏器、纳米半波片和纳米1/4波片，作为密钥，第二超表面上的纳米砖可以看作是纳米半波片，当任意偏振态的光入射，通过第一超表面后，透射光的相位受到调制，通过第二超表面后，透射光的相位再次受到调制，在远场重建出全息图像。所述第一超表面和第二超表面均由基底和纳米砖阵列构成，基底划分为多个单元结构，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，其作为纳米起偏器的结构尺寸为长L1，宽W1，高H1，其作为纳米半波片的结构尺寸为长L2，宽W2，高H2，其作为纳米1/4波片的结构尺寸为长L3，宽W3，高H3，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轴建立xoy坐标系，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。
在上述技术方案基础上，作为优选，所述的第一超表面和第二超表面的基底为熔融石英玻璃材料，所述的第一超表面和第二超表面的纳米砖为硅材料。
在上述技术方案基础上，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随机分布为纳米起偏器、纳米半波片和纳米1/4波片，第二超表面上的纳米砖均为纳米半波片。当任意偏振态的光入射至所述第一超表面，其透射光的相位会受到调制，透射光继续透过所述第二超表面时，其相位会再次受到调制。当任意偏振态的入射光为
Figure BDA0003724474720000021
透射光依次通过纳米起偏器和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure BDA0003724474720000022
透射光依次通过纳米半波片和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure BDA0003724474720000023
透射光依次通过纳米1/4波片和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure BDA0003724474720000024
即透射光中左旋圆偏光和右旋圆偏光的相位均受到调制。
在上述技术方案基础上，当任意偏振态的光入射，通过第一超表面后，透射光的相位受到调制。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，当光波透过第一超表面后，相位受到调制，通过第二超表面后，透射光的相位再次受到调制，在远场重建出全息图像。即所述的双层超表面可实现全息加密显示。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明所设计的全息加密双层超表面，对光波进行相位调制，实现全息信息显示。
2、该双层超表面中第一超表面作为密钥，第二超表面携带加密的全息信息，实现全息信息的加密。
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、该双层超表面的加工工艺与半导体工艺相兼容，能够进行低成本、大批量的制造。
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为本发明实施例中纳米1/4波片圆偏光转化线偏光效率扫描图。
图5为本发明实施例中超表面实现全息加密效果示意图。
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全息加密的双层超表面，该双层超表面包含第一超表面和第二超表面，第一超表面上的纳米砖随机分布为纳米起偏器、纳米半波片和纳米1/4波片，作为密钥，第二超表面上的纳米砖可以看作是纳米半波片，当任意偏振态的光入射，通过第一超表面后，透射光的相位受到调制，通过第二超表面后，透射光的相位再次受到调制，在远场重建出全息图像。
实例中第一超表面和第二超表面均由基底和纳米砖阵列构成，基底为熔融石英玻璃材料，纳米砖为硅材料。基底划分为多个单元结构，如图1所示，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，其作为纳米起偏器的结构尺寸为长L1，宽W1，高H1，其作为纳米半波片的结构尺寸为长L2，宽W2，高H2，其作为纳米1/4波片的结构尺寸为长L3，宽W3，高H3，这是根据选定的入射光波长，通过电磁仿真优化得到。以单元结构直角为x轴和y轴建立xoy坐标系，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。
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随机分布为纳米起偏器、纳米半波片和纳米1/4波片，第二超表面上的纳米砖均为纳米半波片。当任意偏振态的光入射至第一超表面，其透射光的相位会受到调制，透射光继续透过第二超表面时，其相位会再次受到调制。当任意偏振态的入射光为
Figure BDA0003724474720000031
透射光依次通过纳米起偏器和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure BDA0003724474720000032
透射光依次通过纳米半波片和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure BDA0003724474720000033
透射光依次通过纳米1/4波片和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure BDA0003724474720000041
即透射光中左旋圆偏光和右旋圆偏光的相位均受到调制。
以工作波长λ＝1550nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，以线偏光垂直入射，在工作波长下扫描纳米起偏器纳米单元的结构参数，包括L1、W1、H1、C，以纳米砖长轴方向和短轴方向偏振的光的透过率为优化对象，使长轴方向偏振的光透过率尽可能的低，短轴方向偏振的光尽可能的高。扫描结果如图2所示，此时纳米砖的结构参数为：L1＝400nm，W1＝210nm，H1＝490nm，C＝720nm。以圆偏光垂直入射，在工作波长下扫描纳米半波片纳米单元的结构参数，包括L2、W2、H2、C，以纳米砖的交叉偏振转化效率为优化对象，交叉偏振转化效率尽可能地高。扫描结果如图3所示，此时纳米砖的结构参数为：L2＝380nm，W2＝250nm，H2＝800nm，C＝720nm。以圆偏光垂直入射，在工作波长下扫描纳米半波片纳米单元的结构参数，包括L3、W3、H3、C，以纳米砖长轴方向和短轴方向偏振的光的透过率为优化对象，使其中一轴的透过率尽可能地高，且另一轴的透过率尽可能地低。扫描结果如图4所示，此时纳米砖的结构参数为L3＝380nm，W3＝250nm，H3＝480nm，C＝720nm。
综上，当任意偏振态的光入射至第一超表面时，透射光的相位受到调制，当透射光通过第二超表面时，其相位再次受到调制，在远场重建出加密的全息图像。即双层超表面能够实现基于超表面的全息加密，效果如图5所示。

Claims (3)

1.一种可实现全息加密的双层超表面，其特征在于：
由第一超表面和第二超表面构成，能实现全息的加密显示；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；该双层超表面中第一超表面上的纳米砖随机分布为纳米起偏器、纳米半波片和纳米1/4波片，作为密钥，第二超表面上的纳米砖被看作是纳米半波片，当光波入射，通过第一超表面后，光波的相位受到调制，通过第二超表面后，透射光的相位再次受到调制，在远场重建出全息图像；
所述第一超表面和第二超表面均由基底和纳米砖阵列构成，基底划分为多个单元结构，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，其作为纳米起偏器的结构尺寸为长L1，宽W1，高H1，其作为纳米半波片的结构尺寸为长L2，宽W2，高H2，其作为纳米1/4波片的结构尺寸为长L3，宽W3，高H3，这是根据选定的入射光波长，通过电磁仿真优化得到；以单元结构直角为x轴和y轴建立xoy坐标系，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；
当任意偏振态的光入射至所述第一超表面，其透射光的相位会受到调制，透射光继续透过所述第二超表面时，其相位会再次受到调制；当任意偏振态的入射光为
Figure FDA0004138507480000011
透射光依次通过纳米起偏器和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure FDA0004138507480000012
透射光依次通过纳米半波片和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure FDA0004138507480000013
透射光依次通过纳米1/4波片和纳米半波片后的琼斯矩阵由下式说明：
Figure FDA0004138507480000014
即透射光中左旋圆偏光和右旋圆偏光的相位均受到调制。
2.如权利要求1所述的可实现全息加密的双层超表面，其特征在于：
所述的第一超表面和第二超表面的基底为熔融石英玻璃材料，所述的第一超表面和第二超表面的纳米砖为硅材料。
3.如权利要求2所述的可实现全息加密的双层超表面，其特征在于：
当任意偏振态的光入射，通过第一超表面后，透射光的相位受到调制；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，当光波透过第一超表面后，相位受到调制，通过第二超表面后，透射光的相位再次受到调制，在远场重建出全息图像；即所述的双层超表面可实现全息加密显示。
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