一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件制造技术

本发明专利技术公开了一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，包括构成超表面的两个相互垂直的金属纳米棒的超构分子结构；金属‑介质‑金属三明治结构所产生的偏振选择型衍射效率增强效应；超构分子内垂直的两金属纳米棒之间的局部位移对偏振态相位的线性调制方式，相邻超构分子之间的全局位移对波前总体相位的线性调制方式，以及金属纳米棒转角对偏振态振幅比例的线性调制方式。本发明专利技术公开的位移编码型超表面矢量全息元件具有制备控制精度要求低、结构简单、宽入射角度宽工作频段、无色散等优点，能够对具有任意形式的相位和偏振态空间分布的波前进行调控，大大增强了全息防伪与加密技术的安全级别。

A displacement coded super surface vector holographic element capable of implementing new anti-counterfeiting technology

The invention discloses a displacement coded Supersurface vector holographic element which can realize the new anti-counterfeiting technology, including the superstructure molecular structure of two mutually perpendicular metal nanorods formed on the Supersurface; the polarization selective diffraction efficiency enhancement effect produced by the metal sandwich metal sandwich structure; the intramolecular vertical of the superstructure. The linear modulation mode of the local displacement between the two metal nanorods on the polarization phase, the linear modulation mode of the global displacement between the adjacent superstructure molecules to the overall phase of the wavefront, and the linear modulation method for the ratio of the amplitude of the metal nanorods to the polarization state. The invention has the advantages of low control precision, simple structure, wide incidence angle of incident angle, and colorless dispersion, which can regulate the wavefront with arbitrary phase and polarization space distribution, and greatly enhance the safety of holographic anti-counterfeit and encryption technology. Full level.

【技术实现步骤摘要】
一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件
本专利技术涉及全息防伪
，具体涉及一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件。
技术介绍
全息是通过记录特定光波的振幅和相位，并在一定条件下再现得到与原物体逼真的图像再现技术，在防伪领域具有重要的应用，如在包装和印刷的防伪技术中具有巨大的发展空间。在传统全息实现方式中，全息干板与空间光调制器是应用最广泛的全息投影显示光电元器件，但单片全息干板或空间光调制器往往只能对波前的相位与偏振态单独调制，而对两者的同时调制则需要多个器件的级联，从而降低了全息成像系统的集成度；另一方面，传统全息光电元器件是一种色散器件，在对相位，偏振，振幅进行调制时面临着工作带宽窄、多波长响应不一致等问题，从而降低衍射效率和成像质量。如前文所述，全息显示中应用的传统全息光学元件具有诸多问题，因此需要设计、研制新型的全息元件以提升全息显示系统的性能指标。基于表面等离子体激元的超表面(metasurface)(Capasso,etal,Science334,333(2011))的像素单元大小通常为亚波长量级，这种特性在很大程度上提高了衍射器件的分辨率并降低了像素之间的不可调制区域，此外，基于超表面的衍射器件还具有重量轻，尺寸小等优点。进而利用超表面设计研制的全息元件，能够替代传统全息光学元件，在保留其超薄特性的前提下，实现高效率、无色散等目标。超表面全息元件是通过超构原子在器件表面形成特定的相位延迟分布以实现不同的功能。在超表面全息技术设计中，寻找无色散相位调制的超构单元至关重要，但目前广泛应用的具有无色散相位调制的几何相位超构单元只能工作在圆偏振光的条件下，而对相位和偏振的同时调控则需要结合几何相位和具有色散传播相位的超构单元。这种超构单元对相位与偏振的调控依赖于结构几何形状的变化，控制精确度要求较高，增加了纳米加工难度，不利于实际应用与器件的大规模量产。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，该超表面矢量全息元件具有宽入射角、宽工作波段、无色散的特点，并且此超表面矢量全息元件能在单一表面结构中同时并独立地调控相位和偏振，相当于将传统的衍射光学元件与偏振光学元件集成在同一片纳米厚度下的超薄光子芯片上，能大大提高全息信息加密、防伪等应用的安全性。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，包括金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列，所述的金属纳米棒阵列由一系列的双原子超构分子排列而成，所述的超构分子由两个相互垂直的金属纳米棒组成，所述的金属纳米棒阵列位于所述的电介质隔离层上，所述的电介质隔离层位于所述的金属基底之上，构成金属纳米棒阵列-电介质隔离层-金属基底的三明治结构，其功能具有对衍射光偏振态与相位信息的独立调控，具体包括多偏振态全息图样生成、偏振复用全息图样的双路切换等。其中，金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列的厚度均为微米或纳米量级的。进一步地，此金属纳米棒阵列-电介质隔离层-金属基底的三明治结构能够具有偏振选择性地抑制反射光中的0级反射，并将-1级衍射效率提高到70％以上。进一步地，所述的金属纳米棒和金属基底的材质为银、金或铝；所述的电介质隔离层为二氧化硅。进一步地，所述的超构分子中两个垂直纳米棒的间隔s与纳米棒的转角ψ两个参数用于调控衍射光的偏振态；所述的超构分子整体边界相对于周期格点中心位置的偏移p则用于记录衍射光的相位信息，其产生衍射波前的总体相位2πp/p0，其中，p0为金属纳米棒的周期。进一步地，所述的超构分子内部两个垂直排列的纳米金属棒之间的局部位移s产生偏振态的相对相位2πs/p0，其中，p0为金属纳米棒的周期。进一步地，所述的金属纳米棒相对于x坐标轴的偏转角ψ产生偏振态的相对振幅比例tanψ＝E2/E1，其中，用线偏振光照射两个正交金属纳米棒时，衍射光将分别具有两个平行于两个金属纳米棒的正交分量E1和E2。进一步地，从超构分子整体边界到金属纳米棒对的中心点的全局位移p，每个超构分子内的两个金属纳米棒之间的局部位移s和金属纳米棒对相对于x轴的取向角ψ，上述三个参数的线性独立调制方式，独立并完全地调控一个任意波前的偏振态与相位信息。进一步地，调控相位与偏振态的方式都不需要改变超构原子的形状与大小，而只需要调制其位移与转角；对相位与偏振态的调控针对入射角与波长都是无色散的，在宽角度宽频段的工作范围内都是适用的。进一步地，该超表面矢量全息元件产生任意多种任意偏振态的衍射全息图样、以及偏振复用全息图样双路开关切换的超表面实现方式。进一步地，所述的超表面矢量全息元件的像素大小为500nm。进一步地，所述的金属纳米棒的尺寸：长度50nm，宽度130nm，厚度30nm；所述的电介质隔离层的厚度100-150nm；所述的金属基底的厚度130nm。进一步地，所述的超表面矢量全息元件的整体器件面积取值范围为：300μmX300μm～600μmX600μm。本专利技术的位移编码型超表面矢量全息的原理如下：由于金属纳米棒-电介质隔离层-金属基底纳米散射结构的表面等离激元模式的激发以及金属基底的作用，光从金属纳米棒的上方入射时其反射光的振幅与相位将受到表面等离激元共振模式的调制。将纳米散射结构周期设置在与工作波长同一量级，使得反射光束中只包含有-1级和0级衍射光，此时，通过优化纳米散射结构的参数使表面等离激元共振落在此工作波段，可以使-1级衍射光的衍射效率达到70％以上，并同时将0级衍射光完全抑制。在-1级衍射光中通过对两个垂直金属纳米棒的全局位移p、局部位移s以及金属纳米棒的方位角ψ来独立调制衍射光的整体相位分布和偏振态相对相位。基于该原理，可以在线性偏振光照明下实现具有任意偏振态(包括线偏振、圆偏振以及椭圆偏振态)分布全息图像的矢量全息图。由于通过金属纳米棒位移产生的迂回相位完全不依赖入射角和入射光波长，故此位移编码型矢量全息图在宽带和广角范围内均是无色散的，仅受超构单元的散射带宽和伍德反常(Woodyanomaly)边界限制。与以前的偏振复用超表面全息图不同，其中全息图像的偏振由入射光(相同偏振或交叉偏振)确定，位移编码型矢量超表面全息图的偏振状态由超表面的参数精确控制，允许单个全息图像上具有多偏振态以及偏振复用全息图像的多路切换，此特性有助于大大增强全息数据加密、全息防伪等应用实例的安全级别。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1)本专利技术的金属纳米棒，电介质隔离层和金属基底的厚度和周期均为纳米量级的，故本专利技术的具有尺寸小，重量轻的优点。2)本专利技术的金属纳米棒-电介质隔离层-金属基底的三明治结构可以几乎全部地将入射光衍射到-1衍射级而完全抑制0级衍射，故本专利技术具有很高的衍射效率。3)本专利技术对衍射光相位和振幅的调制只与超构分子中两个垂直纳米棒的局部位移和全局位移有关，与入射光的波长和入射角无关，故本专利技术具有无色散，广入射角等优点。4)矢量超表面全息图的偏振状态由超表面的参数精确控制，允许单个全息图像上存在多偏振状态和偏振复用全息图像的多路切换，故本专利技术有助于大大增强基于全息技术的数据加密和防伪等应用实例的安全级别。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，其特征在于，所述的超表面矢量全息元件包括金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列，所述的金属纳米棒阵列由一系列的双原子超构分子排列而成，所述的超构分子由两个相互垂直的金属纳米棒组成，所述的金属纳米棒阵列位于所述的电介质隔离层上，所述的电介质隔离层位于所述的金属基底之上，构成金属纳米棒阵列‑电介质隔离层‑金属基底的三明治结构，实现对衍射光偏振态与相位信息的独立调控、多偏振态全息图样生成、偏振复用全息图样的双路切换，其中，所述的金属基底、所述的电介质隔离层和所述的金属纳米棒阵列的厚度均为微米或纳米量级的。

【技术特征摘要】
1.一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，其特征在于，所述的超表面矢量全息元件包括金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列，所述的金属纳米棒阵列由一系列的双原子超构分子排列而成，所述的超构分子由两个相互垂直的金属纳米棒组成，所述的金属纳米棒阵列位于所述的电介质隔离层上，所述的电介质隔离层位于所述的金属基底之上，构成金属纳米棒阵列-电介质隔离层-金属基底的三明治结构，实现对衍射光偏振态与相位信息的独立调控、多偏振态全息图样生成、偏振复用全息图样的双路切换，其中，所述的金属基底、所述的电介质隔离层和所述的金属纳米棒阵列的厚度均为微米或纳米量级的。2.根据权利要求1所述的一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，其特征在于，所述的金属纳米棒阵列-电介质隔离层-金属基底的三明治结构能够具有偏振选择性地抑制反射光中的0级反射，并将-1级衍射效率提高到70％以上。3.根据权利要求1所述的一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，其特征在于，所述的金属纳米棒和金属基底的材质为银、金或铝；所述的电介质隔离层为二氧化硅。4.根据权利要求1所述的一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，其特征在于，所述的超构分子中两个垂直纳米棒的间隔s与纳米棒的转角ψ两个参数用于调控衍射光的偏振态；所述的超构分子整体边界相对于周期格点中心位置的偏移量p则用于记录衍射光的相位信息，其产生衍射波前的总体相位为2πp/p0，其中，p0为超构分子的周期。5.根据权利要求1所述的一种可实现新型防伪技术的位移编码型超表面矢量全息元件，其特征在于，所述的超构分子内部两个垂直排列的纳米金属棒之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓子岚，王帅，叶旋，李向平，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44