一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法技术

本发明专利技术属于微纳光学、偏振光学以及光学全息技术领域，公开了一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，确定响应的主波长λ；确定单元结构的几何参数；采用GS相位恢复算法，得到对主波长响应的单元结构的相位分布；采用达曼光栅的方法把每个基元的像素点扩展为2×2阵列，得到的每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息；采用波长为λ的水平偏振光和垂直偏振光分别照射合成的硅纳米天线阵列，重建不同的全息图像。本发明专利技术只需要改变硅纳米天线的短轴大小即可实现0～2π的相位调制，可等效于任意台阶数的浮雕位相调制结构，工艺简单，对加工误差容忍度好，具有很高的稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法
本专利技术属于微纳光学、偏振光学以及光学全息
，尤其涉及一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：偏振复用全息元件对入射光的偏振特性十分敏感，可以通过对入射光电场偏振方向的不同重现不同的全息图样，从而实现各种不同的应用，例如图像处理、偏振检测、信息存储、光学加密等。传统的偏振全息元件的制造主要是基于天然材料的双折射特性或者在各向同性的基底上刻蚀亚波长的周期性结构实现的有效双折射特性。尽管使用双折射晶体可以用来制备偏振光学器件，但却受限于晶体种类及尺寸；具有亚波长结构的人工材料可以提供一种选择性的方法来增强和控制双折射特性，但强各向异性要求高的深宽比，特殊的刻蚀和分辨率要求则增大了加工难度。通常传统偏振全息器件的带宽很窄，当入射光波长改变时相位函数和衍射效率都会发生改变。此外传统偏振全息器件价格昂贵，工艺复杂，且体积大、重量重，不适合光集成，无法满足未来光子器件的发展趋势。超表面，一种二维超材料，由亚波长的等离子体或电介质基元组成的薄层工程界面，可以用来操控光的振幅、相位和偏振特性；由于其独特的性能，已经引起了物理和器件研究领域广泛的关注，其中一个重要的应用就是全息术。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)使用双折射晶体可以用来制备偏振光学器件，但却受限于晶体种类及尺寸。(2)具有亚波长结构的人工材料可以提供一种选择性的方法来增强和控制双折射特性，但强各向异性要求高的深宽比，特殊的刻蚀和分辨率要求则增大了加工难度。(3)传统的偏振全息器件响应带宽窄，入射光波长改变时相位函数和衍射效率都会发生改变。(4)传统的偏振全息器件价格昂贵，工艺复杂，体积大，重量重，不适合光集成，无法满足未来光子器件的发展趋势。解决上述技术问题的难度和意义：利用二维超表面实现偏振全息，只需要改变单元结构中纳米天线的短轴尺寸的大小，即可实现0～2π的相位调制，不需要对材料的深度进行刻蚀，大大降低了加工难度。本专利技术提高了全息图像的分辨率；可选取常用的材料例如玻璃或硅作为基材，实现高透过率；具有宽带响应；超表面结构单元的几何参数均为亚波长尺寸，体积小、重量轻，易集成，满足未来光学器件的发展趋势。
技术实现思路
针对现有技术存在偏振全息技术不足的问题，本专利技术提供了一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法。结合超表面的理论，通过优化基元结构参数，提供了一种简单、高效、易于集成的符合光学器件发展趋势的透射式全介质超表面偏振复用全息成像方法。本专利技术是这样实现的，一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法包括：选取响应的主波长；以水平和垂直偏振光分别照射纳米天线单元基本结构，得到纳米天线单元结构的几何参数；确定主波长响应的单元结构的相位分布、单元结构内硅纳米天线短轴w的大小、水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数；确定每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息；采用波长为λ的水平偏振光和垂直偏振光分别照射合成的硅纳米天线阵列，重建不同的全息图像。进一步，所述纳米天线单元结构的几何参数以透过率、响应带宽以及相位变化梯度为优化目标，确定满足优化条件的单元结构二氧化硅衬底的边长l，厚度t,纳米天线的长轴l，高h，短轴w；w的尺寸不固定，随着透射相位的变化而变化。进一步，采用GS相位恢复算法，得到对主波长响应的单元结构的相位分布，得到单元结构内硅纳米天线短轴w的大小，得到对水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数。进一步，所述GS相位恢复算法具体包括：(1)在入射平面处，给定入射光场一个初始随机相位，正向傅里叶变换，得到输出平面处的光场分布；(2)对输出平面处的光场施加限制，把振幅替换成期望得到的振幅，同时保持相位不变，做逆傅里叶变换，得到输入平面的光场分布；(3)对输入平面的光场施加限制，振幅替换为1，同时保持相位不变，做傅里叶变换，得到输出平面的光场分布；(4)重复(2)和(3)，直到输出平面光场收敛，达到预设的目标振幅，跳出循环；得到输入平面的相位分布。进一步，采用达曼光栅的方法把每个基元的像素点扩展为2×2阵列，把对水平偏振和垂直偏振响应的基元结构A和B交叉填充在2×2阵列上，作为一个大的像素单元，得到的每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的透射式的全介质超表面偏振复用全息元件，所述透射式的全介质超表面偏振复用全息元件包括：二氧化硅衬底层及衬底上均匀排布的硅纳米天线阵列；每个纳米天线与其对应的基底构成基元结构；所述基元结构包括对水平偏振和垂直偏振具有宽带响应的基元结构A和基元结构B；正交偏振的基元结构A和基元结构B基元结构依次交替排列，规则地填充在2×2的阵列结构单元上；偏振全息元件的一个像素单元，记录对水平和垂直偏振光响应的信息；每种结构的纳米天线只对一种偏振光进行调制，不同偏振类型的光之间不串扰，进行偏振全息。进一步，纳米天线结构的长边方向代表长轴，短边代表短轴，长轴的方向与x轴的夹角为0°或者90°；所述单元结构的基底长度与宽度相同，且均为亚波长尺寸。所述硅纳米天线为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸；每一个硅纳米结构天线的长轴均相等，短轴随着目标相位的变化而变化；所述硅纳米天线的长轴大小与单元结构基底的边长大小相等。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的图像处理系统。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的偏振检测系统。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的信息存储系统。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：相比较传统的偏振复用全息元件，本专利技术只需要改变硅纳米天线的短轴大小即可实现0～2π的相位调制，可等效于任意台阶数的浮雕位相调制结构，原材料充裕，工艺简单，对加工误差容忍度好，具有很高的稳定性和可靠性。基元结构A和基元结构B分别对水平和垂直偏振光具有宽带响应，每一种结构参数的纳米天线只对一种偏振方向的光进行调制(对同一种偏振光响应的纳米天线的长轴方向始终与偏振方向相同，且大小保持不变，短轴的大小不定，随空间分布)，不同偏振的光之间没有串扰。产生的两种偏振的全息图像共轴，故能在很大的深度范围内保持良好的清晰度。本专利技术偏振全息方法基于透射式的全介质超表面，相比较之前反射式的等离子体超表面，具有低损耗、高成像质量。采用本专利技术中一种利用上述透射式硅纳米天线阵列实现偏振全息的方法得到的水平、垂直偏振全息仿真结果分别如图7和图8所示。此偏振全息元件响应带宽大，在600nm-700nm频段范围内均可实现上述偏振全息；此外，利用上述提到的方法得到的偏振全息元件设计灵活，通过改变硅纳米天线阵列的几何参数，可以实现任意工作波长的透射式全介质超表面偏振全息元件。附图说明图1是本专利技术实施例提供的单元结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的经过仿真优化得到的相位和透过率随纳米天线短轴变化的曲线图。图3为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，其特征在于，所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法包括：选取响应的主波长；以水平和垂直偏振光分别照射纳米天线单元基本结构，得到纳米天线单元结构的几何参数；确定主波长响应的单元结构的相位分布、单元结构内硅纳米天线短轴w的大小、水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数；确定每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息；采用波长为λ的水平偏振光和垂直偏振光分别照射合成的硅纳米天线阵列，重建不同的全息图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，其特征在于，所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法包括：选取响应的主波长；以水平和垂直偏振光分别照射纳米天线单元基本结构，得到纳米天线单元结构的几何参数；确定主波长响应的单元结构的相位分布、单元结构内硅纳米天线短轴w的大小、水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数；确定每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息；采用波长为λ的水平偏振光和垂直偏振光分别照射合成的硅纳米天线阵列，重建不同的全息图像。2.如权利要求1所述的基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，其特征在于，所述纳米天线单元结构的几何参数以透过率、响应带宽以及相位变化梯度为优化目标，确定满足优化条件的单元结构二氧化硅衬底的边长l，厚度t,纳米天线的长轴l，高h，短轴w；w的尺寸不固定，随着透射相位的变化而变化。3.如权利要求1所述的基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，其特征在于，采用GS相位恢复算法，得到对主波长响应的单元结构的相位分布，得到单元结构内硅纳米天线短轴w的大小，得到对水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数。4.如权利要求3所述的基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，其特征在于，所述GS相位恢复算法具体包括：(1)在入射平面处，给定入射光场一个初始随机相位，正向傅里叶变换，得到输出平面处的光场分布；(2)对输出平面处的光场施加限制，把振幅替换成期望得到的振幅，同时保持相位不变，做逆傅里叶变换，得到输入平面的光场分布；(3)对输入平面的光场施加限制，振幅替换为1，同时保持相位不变，做傅里叶变换，得到输出平面的光场分布；(4)重复(2)和(3)，直到输出平面光场收敛，达到预设的目标振幅，跳出循环；得到输入平面的相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：董国艳，李振飞，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11