CN115390417A - 基于不同波矢入射的超表面全息加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其中超表面由透明基底和刻蚀在透明基底上的纳米砖阵列构成，能够在光波正入射和特定波矢的倏逝波入射下分别解码出不同的全息图像，实现多通道全息复用的同时也能实现光学信息加密。本发明在光学信息的存储、显示、加密、防伪等领域有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及超表面材料及器件和光学全息技术领域，具体涉及一种基于不同波矢入射的超表面全息加密方法。
背景技术
光学全息术是一种强大的工具，可以重建光的波前，实现信息存储与再现。超表面能够在亚波长尺度对光波电磁场的振幅、相位和偏振态等进行灵活有效的调控，在实现基本光学性质的基础上，相位、波长、空间频率以及偏振态等多维编码实现全息复用大大提高了信息承载能力，但目前超表面全息术都是基于能够在自由空间中传播的行波，还未曾利用倏逝波进行全息设计，因此基于不同波矢的倏逝波与行波入射的超表面全息可为全息技术及信息加密提供一种新的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，通过本发明可以实现多通道全息复用及信息加密，提高信息存储的容量。
为实现上述目的，本发明提供一种基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：设计目标图像；
确定工作波长λ及纳米砖单元结构的周期CS使得全息图的最大空间频率；大于|1/λ|，对应的横向波矢为|k0|；设计目标图像，使得图像中有用信息分别分布在小于|k0|范围和大于|k0|范围，将有用信息分别设计在|k0|范围内以0为中心处，记为图像A；大于|k0|范围对角线上以(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)为中心处，记为图像B、图像C、图像D和图像E；
S2：优化设计纳米砖单元结构；
工作波长λ和纳米砖单元结构周期CS已经确定，对于透射式几何相位超表面，圆偏振行波入射时，其偏振态会发生改变，此时输出光场分解为两种不同旋向的圆偏振行波，而与入射光旋向相反的部分携带2倍纳米砖朝向角的相位调控量，旋向相反的部分是能发生衍射进而成像的部分；因此，通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数时，应使得其在工作波长下有较高的偏振转换效率；
S3：超表面的设计方法：
S3.1：采用Gerchberg-Saxton算法得到超表面的相位分布矩阵；
超表面由M×N个上述优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成；按照步骤S1中方法设计一幅由M×N个像素组成的灰度图像作为目标全息图像，采用Gerchberg-Saxton算法优化得到一个超表面对于圆偏振行波的相位分布矩阵Φ；Φ(m,n)表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于透射的圆偏振行波的相位延迟量；
S3.2：纳米砖单元结构的排布方式；
由步骤S3.1中得到的超表面相位分布矩阵Φ(m,n)，结合几何相位超表面纳米砖单元结构对反向圆偏振行波的相位调控量为其转角的2倍，能得到纳米砖单元结构转角分布的矩阵Φangle(m,n)，纳米砖单元结构的尺寸由步骤S2优化确定；
当圆偏振行波正入射至超表面时，可在透射空间产生观察到图像A的再现像；当在超表面前方加一四棱锥棱镜，计算好入射角度，使圆偏振行波发生全反射且透射光为横向波矢(kx,ky)分别为(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)的倏逝波时，在透射空间分别观察到图像B、图像C、图像D、图像E的再现像；从而实现不同波矢多通道全息复用及信息加密，比如可以认为图像A是误导图像，图像B、图像C、图像D、图像E为目标图像，光波正入射时在透射空间只能解码出误导图像，只有在特定横向波矢的倏逝波入射时才能在透射空间解码出相应的目标图像。
作为优选方案，所述步骤S1中，设计在|k0|范围内以0为中心处的图像A的解码方式为圆偏振行波正入射，设计在大于|k0|范围的图像B、图像C、图像D、图像E的解码方式为相应的特定横向波矢的倏逝波入射。
进一步地，所述步骤S3.2中，特定横向波矢的倏逝波的产生方法为采用棱镜使入射圆偏振行波以特定角度入射发生全反射从而产生特定横向波矢的倏逝波。
更近一步地，要实现如上述的解码方式，在步骤S1中，工作波长λ及纳米砖单元结构的周期CS的选择要使得全息图的最大空间频率大于|1/λ|，对应的横向波矢为|k0|。优选地，所述步骤(1)中，工作波长λ选用632nm时，纳米砖单元结构的周期CS为300nm，从而使得全息图的最大空间频率大于|1/λ|。
其中，上述基底为二氧化硅基底，所述纳米砖单元结构为硅纳米砖，但不限于此。所述超表面的工作模式为透射式，在光波正入射和特定波矢倏逝波入射下。
本发明的工作原理如下：
当圆偏振行波正入射至超表面时，可在透射空间产生观察到图像A的再现像；当在超表面前方加一四棱锥棱镜，计算好入射角度，使圆偏振行波发生全反射且透射光为横向波矢(kx,ky)分别为(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)的倏逝波时，在透射空间分别观察到图像B、图像C、图像D、图像E的再现像；从而实现不同波矢多通道全息复用及信息加密，比如可以认为图像A是误导图像，图像B、图像C、图像D、图像E为目标图像，光波正入射时在透射空间只能解码出误导图像，只有在特定横向波矢的倏逝波入射时才能在透射空间解码出相应的目标图像。
透射空间中不同图像的解码方式分别为圆偏振行波正入射和特定横向波矢的倏逝波入射。特定横向波矢的倏逝波的产生方法为采用棱镜使入射圆偏振行波以特定角度入射发生全反射从而产生特定横向波矢的倏逝波。
本发明的优点及有益效果如下：
1、基于波矢控制的多通道全息复用及信息加密的超表面具有尺寸小、重量轻、易集成、易于加工等优势；
2、基于本发明的超表面在光波正入射、特定横向波矢的倏逝波入射模式均可工作，仅需在超表面前方加一棱镜并改变入射光入射方向即可实现工作模式切换；
3、基于本发明的设计方法可以拓宽光学信息存储系统的容量和增强光学加密安全性，可广泛应用于光学信息存储、显示、加密、隐藏和防伪等研究领域。
附图说明
图1是本发明中目标图像设计指导图；
图2是本发明中纳米砖单元结构的示意图；
图3是本发明中可实现基于波矢控制的多通道全息复用及信息加密的超表面的结构示意图；
图4是本发明实施例中设计的目标全息图像；
图5是本发明实施例中优化后的全息图相位分布；
图6是本发明实施例中超表面的纳米砖转角分布；
图7是本发明实施例中实现正入射通道的光路示意图；
图8是本发明实施例中实现波矢为(0.85k0,0.85k0)通道的光路示意图；
图9是本发明实施例中实现波矢为(-0.85k0,0.85k0)通道的光路示意图；
图10是本发明实施例中实现波矢为(0.85k0,-0.85k0)通道的光路示意图；
图11是本发明实施例中实现波矢为(-0.85k0,-0.85k0)通道的光路示意图；
图12是本发明实施例中优化后纳米砖单元结构的偏振转换效率图；
图13是本发明实施例中出射反向圆偏振行波相位调控量与纳米砖转角的关系图。
图中：1、纳米砖单元结构；2、基底。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
实施例1
S1、设计目标图像。
若全息图为M×N个像素，每个像素的大小为CSx×CSy,由奈奎斯特抽样定理可知，该全息图在x、y方向的最大和最小空间频率为：
如图1，横向波矢小于k0的光波为传播波，对应的最大空间频率为|1/λ|，对应图1中的圆内区域；选择合适的波长λ和像素大小CSx和CSy，使得全息图的最大空间频率能够覆盖传播波的范围|1/λ|。横向波矢大于k0的光波为倏逝波，空间频率大于|1/λ|，对应图1中圆外区域。将目标图像的有用信息分别设计在|k0|范围内以0为中心处，记为A、大于|k0|范围对角线上以(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)为中心处，记为B、C、D和E。
当光波正入射时，会在全息片透射空间观察到传播波区域内的信息A，当倏逝波入射时，由傅里叶变换相移定理：
FFT[f(x)exp(i2πu0x)]＝F(u-u0)
空域中的线性相移会引起空间频率域中频谱分布的横向位移，倏逝波入射时会对全息图引入一相位因子，使用特定横向波矢的倏逝波入射则空间频率域的频谱分布会产生相应的位移，可在远场分别观察到相应的目标图像。
S2、优化设计纳米砖单元结构。
下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。所述纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。
纳米砖单元结构由基底2和刻蚀在所述基底上的纳米砖1构成，如图2所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖1在x方向和y方向上的长度分别为Lx和Ly，z方向上的高度为H，基底在x方向和y方向上的边长均为C。本发明设计的是相位型全息图，而几何相位超表面在对入射光进行相位调控的同时，不引入振幅调控，因此本发明设计的是变转角几何相位超表面。下面对几何相位超表面相位调控原理进行说明：
对一光学元件，其琼斯矩阵为：
当其旋转一定角度α时，新的琼斯矩阵为：
其中矩阵R为旋转矩阵。当琼斯据很为
的圆偏振行波入射时，输出场的琼斯矩阵可以写为：
可以看出，圆偏振行波经过该光学元件后，输出场分为两个部分，一部分是与入射光旋向相同的圆偏振行波，另一部分是与入射光旋向相反的圆偏振行波，p和q的模分别代表着两部分圆偏振行波的振幅。
进一步的，对于理想波片，其琼斯矩阵为：
由第5行式子可以得到
故其偏振转换效率为
当δ＝π是，即对于理想的半波片，偏振转换效率为|q|2＝1。即对于快轴与x轴夹角为α的半波片，当入射光为圆偏振行波时，出射光为旋向相反的圆偏振行波，且会产生±2α的相位差。这就是几何相位超表面实现相位调控的基本原理。
通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖1的长度Lx和Ly、高度H，使得工作波长下圆偏振行波正入射至该纳米砖单元结构时，改变纳米砖的转角，偏振转换效率|q|2始终接近1，且出射的反向圆偏振行波的相位改变量与纳米砖转角的线性关系较强。
S3、超表面的设计方法。
(S3.1)采用Gerchberg-Saxton算法得到超表面的相位分布矩阵。
超表面由M×N个上述优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成。按照步骤S1中所述方法设计一幅M×N像素的图像作为透射空间的目标全息图像，采用Gerchberg-Saxton算法优化得到一个超表面对于圆偏振行波的相位分布矩阵Φ。Φ(m,n)表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于透射的圆偏振行波的相位延迟量。
(S3.2)纳米砖单元结构的排布方式。
根据步骤(S3.1)中得到的超表面相位分布矩阵联Φ(m,n)与几何相位超表面纳米砖单元结构对反向圆偏振行波的相位调控量为其转角的2倍得到纳米砖单元结构转角分布的矩阵Φangle(m,n)，纳米砖单元结构的尺寸由步骤S2优化确定。
其中，所述基底为二氧化硅基底，所述纳米砖单元结构为硅纳米砖，但不限于此。所述超表面的工作模式为透射式，在光波正入射和特定波矢倏逝波入射下。
下面结合附图对本实施例作进一步说明：
本实施例提供的基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其预期实现的功能当圆偏振行波正入射至超表面时，在透射空间解码出图像A的再现像；当在超表面前方加一四棱锥棱镜，计算好入射角度，使圆偏振行波发生全反射且透射光为横向波矢(kx,ky)分别为(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)的倏逝波时，在透射空间分别解码出图像B、C、D、E的再现像。从而实现不同波矢多通道全息复用及信息加密，比如可以认为图像A是误导图像，图像B、C、D、E为目标图像，光波正入射时在透射空间只能解码出误导图像，只有在特定横向波矢的倏逝波入射时才能在透射空间解码出相应的目标图像。
本实施例中，纳米单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的硅纳米砖构成，如图1所示。具体设计步骤如下：
(1)设计目标图像。
选取工作波长λ＝632nm，为了使全息图的最大空间频率|1/2CS|能够覆盖传播波的范围|1/λ|，超表面周期CS选择300nm。如图1，将有用信息分别放置在|k0|范围内以0为中心处，记为图像A、大于|k0|范围对角线上以(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)为中心处，记为图像B、C、D和E，设计一幅120×120像素的灰度图像。
(2)优化设计纳米砖单元结构。
为使纳米砖单元结构达到近似于半波片的效果，即偏振转换效率接近于1，针对工作波长λ＝632nm和固定的周期CS＝300nm，通过电磁仿真软件comsol对纳米砖单元结构尺寸参数进行扫描，得到优化后的单元结构高为H＝330nm，长为Lx＝160nm，宽为Ly＝100nm。偏振转换效率如下图12，出射光的相位调控量与纳米砖转角的关系如下图13。可以看出，该纳米砖单元结构的偏振转换效率为0.962±0.005，出射光中反向圆偏振行波的相位改变量为纳米转转角的2倍。
(3)采用Gerchberg-Saxton算法得到超表面的相位分布矩阵。
超表面由120×120个优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成，如图3所示。按照步骤(1)中所述设计一幅120×120个像素组成的灰度图像透射空间的目标全息图像，如图4所示。采用Gerchberg-Saxton(GS)算法优化得到对于圆偏振行波的相位分布矩阵Φ，如图5所示。Φ(m,n)表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于透射的圆偏振行波的相位延迟量。
(4)纳米砖单元结构的排布方式。
根据步骤(3)中得到的超表面相位分布矩阵联Φ(m,n)与几何相位超表面纳米砖单元结构对反向圆偏振行波的相位调控量为其转角的2倍得到纳米砖单元结构转角分布的矩阵Φangle(m,n)，如图6所示，纳米砖单元结构的尺寸由步骤(2)优化确定。
以超表面中第(m,n)个纳米砖单元结构为例，该位置处纳米砖单元结构对于透射的反向圆偏振行波的相位延迟量为Φ(m,n)，将其除以2得到纳米砖单元结构的转角Φangle(m,n)，则该位置放置转角为Φangle(m,n)的纳米砖单元结构，同理，排布所有构成超表面的纳米砖单元结构。
当圆偏振行波正入射至超表面时，在透射空间解码出图像A的再现像；当在超表面前方加一四棱锥棱镜，计算好入射角度，使圆偏振行波发生全反射且透射光为横向波矢(kx,ky)分别为(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)的倏逝波时，在透射空间分别解码出图像B、C、D、E的再现像。从而实现不同波矢多通道全息复用及信息加密，比如可以认为图像A是误导图像，图像B、C、D、E为目标图像，光波正入射时在透射空间只能解码出误导图像，只有在特定横向波矢的倏逝波入射时才能在透射空间解码出相应的目标图像。
本发明实施例提供的基于不同波矢入射的超表面全息加密方法至少包括如下技术效果：
本发明实现了不同波矢多通道全息复用及信息加密，设计在不同空间频率处的目标图像由不同波矢的入射光解码得到，而不同波矢的光波由棱镜产生。本发明提高了信息存储的容量，同时为信息加密技术提供了一种新的实现手段。本发明在光学信息的存储、显示、加密、防伪等领域有潜在的应用价值。
Claims (4)
1.一种基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：设计目标图像；
确定工作波长λ及纳米砖单元结构的周期CS使得全息图的最大空间频率；大于|1/λ|，对应的横向波矢为|k0|；设计目标图像，使得图像中有用信息分别分布在小于|k0|范围和大于|k0|范围，将有用信息分别设计在|k0|范围内以0为中心处，记为图像A；大于|k0|范围对角线上以(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)为中心处，记为图像B、图像C、图像D和图像E；
S2：优化设计纳米砖单元结构；
工作波长λ和纳米砖单元结构周期CS已经确定，对于透射式几何相位超表面，圆偏振行波入射时，其偏振态会发生改变，此时输出光场分解为两种不同旋向的圆偏振行波，而与入射光旋向相反的部分携带2倍纳米砖朝向角的相位调控量，旋向相反的部分是能发生衍射进而成像的部分；因此，通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数时，应使得其在工作波长下有较高的偏振转换效率；
S3：超表面的设计方法：
S3.1：采用Gerchberg-Saxton算法得到超表面的相位分布矩阵；
超表面由M×N个上述优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成；按照步骤S1中方法设计一幅由M×N个像素组成的灰度图像作为目标全息图像，采用Gerchberg-Saxton算法优化得到一个超表面对于圆偏振行波的相位分布矩阵Φ；Φ(m,n)表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于透射的圆偏振行波的相位延迟量；
S3.2：纳米砖单元结构的排布方式；
由步骤S3.1中得到的超表面相位分布矩阵Φ(m,n)，结合几何相位超表面纳米砖单元结构对反向圆偏振行波的相位调控量为其转角的2倍，能得到纳米砖单元结构转角分布的矩阵Φangle(m,n)，纳米砖单元结构的尺寸由步骤S2优化确定；
当圆偏振行波正入射至超表面时，可在透射空间产生观察到图像A的再现像；当在超表面前方加一四棱锥棱镜，计算好入射角度，使圆偏振行波发生全反射且透射光为横向波矢(kx,ky)分别为(0.85k0,0.85k0)、(-0.85k0,0.85k0)、(0.85k0,-0.85k0)、(-0.85k0,-0.85k0)的倏逝波时，在透射空间分别观察到图像B、图像C、图像D、图像E的再现像；从而实现不同波矢多通道全息复用及信息加密，比如可以认为图像A是误导图像，图像B、图像C、图像D、图像E为目标图像，光波正入射时在透射空间只能解码出误导图像，只有在特定横向波矢的倏逝波入射时才能在透射空间解码出相应的目标图像。
2.根据权利要求1所述的基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其特征在于：所述步骤S1中，设计在|k0|范围内以0为中心处的图像A的解码方式为圆偏振行波正入射，设计在大于|k0|范围的图像B、图像C、图像D、图像E的解码方式为相应的特定横向波矢的倏逝波入射。
3.根据权利要求1或2所述的基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其特征在于：所述步骤S3.2中，特定横向波矢的倏逝波的产生方法为采用棱镜使入射圆偏振行波以特定角度入射发生全反射从而产生特定横向波矢的倏逝波。
4.根据权利要求3所述的基于不同波矢入射的超表面全息加密方法，其特征在于：要实现如权利要求1所述的解码方式，在步骤S1中，工作波长λ及纳米砖单元结构的周期CS的选择要使得全息图的最大空间频率大于|1/λ|，对应的横向波矢为|k0|。
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| US20190294104A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | Postech Academy-Industry Foundation | Dielectric based metasurface hologram device and manufacturing method of same and display device having same |
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| KR102143535B1 (ko) * | 2019-05-29 | 2020-08-11 | 광운대학교 산학협력단 | 편향 또는 포커싱 조절이 가능한 두 기능 유전체 메타표면 소자 |
| CN114967396A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-08-30 | 武汉大学 | 可实现全息加密的双层超表面 |
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2022
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116224580A (zh) * | 2023-05-08 | 2023-06-06 | 之江实验室 | 设计方法和光学加密系统 |
| CN116224580B (zh) * | 2023-05-08 | 2023-08-15 | 之江实验室 | 设计方法和光学加密系统 |
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