应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法，利用硅纳米砖的磁共振效应，实现特定波长的高效反射；通过设计不同大小的硅纳米砖，使其分别对红、绿、蓝三基色光实现窄带响应；利用硅纳米砖的朝向角对入射光位相进行精密调节，实现位相型傅里叶彩色全息。本发明专利技术工艺简单，可广泛用于真彩色显示、信息存储、防伪等领域。

【技术实现步骤摘要】
应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法
本专利技术涉及微纳光学及光学全息
，尤其涉及一种应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法。
技术介绍
傅里叶计算全息是将全息片的傅里叶谱面设置成目标全息图像，然后借助于一些优化设计算法设计全息片的位相或振幅分布，实现目标全息图像。傅里叶全息具有图案扩展角大、效率高、使用简单、图像信噪比较高等突出优点，因此在商业应用中被广泛采纳，比如激光全息键盘、体感中的随机光点发生器等。当前的傅里叶全息主要还是单色光全息，由于其色彩单调，难于满足消费电子和科学研究的持续需求，因此急需新技术的突破。最近几年，超材料(metamaterials)成为学术界研究的热点。这种人工结构材料具有亚波长结构特点，可用于调节入射光的振幅和位相。基于超材料的彩色全息已经有了相关报道[1]，该文描述了铝纳米棒超材料实现傅里叶全息的原理：利用铝纳米棒阵列构造位相单元，再通过控制铝纳米棒几何尺寸得到所需的位相。然而，由于制造技术的复杂性(需要至少三层金属或介质薄膜、外加光刻工艺)，使得实现的图案不仅过于简单、而且实际效果难于令人满意，远远达不到商业应用的标准。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种可再现逼真全息图像且工艺简单应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法。本专利技术思路为：采用硅纳米砖阵列结构实现傅里叶彩色全息，硅纳米砖阵列结构包括结构参数不同的三类硅纳米砖单元，可分别对红光、绿光、蓝光窄带响应；通过调节硅纳米砖单元中硅纳米砖朝向角可对红光、绿光、蓝光位相进行任意调节；通过设计三类硅纳米砖单元的排列方式，使红、绿、蓝三种单色全息图像叠加成傅里叶彩色全息图像。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一、应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构，由第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列和第三硅纳米砖单元列交替排列构成，第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列、第三硅纳米砖单元列分别由相等数量的第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元排列构成；第一硅纳米砖单元由介质基底和介质基底上刻蚀的第一硅纳米砖构成，第二硅纳米砖单元包括介质基底和介质基底上刻蚀的第二硅纳米砖，第三硅纳米砖单元包括介质基底和介质基底上刻蚀的第三硅纳米砖；第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的几何尺寸均为亚波长尺度，分别对红光、绿光、蓝光窄带响应；介质基底为长方体形，其工作面及工作面的相对面为正方形，第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元中介质基底几何尺寸相同；第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖为具有不同几何尺寸的长方体形；介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的中心点的连线垂直于介质基底工作面；第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖的朝向角分别为全息片中第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖所对应像素点的位相的一半。本专利技术硅纳米砖阵列结构中，介质基底、第一硅纳米砖、第二硅纳米砖和第三硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺度。本专利技术硅纳米砖阵列结构中，可通过控制第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖的朝向角来对所响应波长进行任意位相调节。本专利技术硅纳米砖阵列结构中，三个依次排列的第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元构成一个全息片像素，全息片由若干像素排列构成。二、上述硅纳米砖阵列结构在傅里叶彩色全息的应用，包括：(1)分别确定红光、绿光、蓝光的主波长；(2)对第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的结构参数分别进行优化：采用电磁仿真法，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射硅纳米砖单元工作面，扫描硅纳米砖单元的结构参数，满足优化目标的结构参数即优化的结构参数；所述硅纳米砖单元为第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元或第三硅纳米砖单元；所述优化目标为：仅在硅纳米砖单元对应主波长处响应，且在该对应主波长下交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低；在其他两个主波长下交叉偏振转化效率最低；所述结构参数包括硅纳米砖单元边长C及其中硅纳米砖的长宽高；(3)分别计算第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的周期：根据和计算对主波长λ窄带响应的硅纳米砖单元在x、y方向的周期dx、dy；θx和θy分别表示目标全息图像在x、y方向上的投影角度，m和n分别表示对主波长λ产生的全息图像在x、y方向上的像素数，θx、θy、m、n根据目标全息图像要求确定；所述主波长λ为红光、绿光或蓝光的主波长；(4)分别计算单周期内第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的数量：根据M＝dx/(3C)和N＝dy/C，得单周期内对主波长λ窄带响应的硅纳米砖单元在x、y方向的数量M、N，即单周期内对主波长λ窄带响应的硅纳米砖单元总数量为M×N；所述主波长λ为红光、绿光或蓝光的主波长；(5)根据应用需求选择优化指标，采用位相分布优化法分别获得第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖所对应像素点的位相分布优化，从而获得其中各第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖的朝向角；(6)根据单周期内第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的数量，将第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元分别排列成第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列、第三硅纳米砖单元列，第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列、第三硅纳米砖单元列交替排列。对红光的主波长窄带响应的硅纳米砖单元即第一硅纳米砖单元，对绿光的主波长窄带响应的硅纳米砖单元即第二硅纳米砖单元，对蓝光的主波长窄带响应的硅纳米砖单元即第三硅纳米砖单元。本专利技术涉及如下技术原理：(1)硅纳米砖单元电磁共振实现窄带响应尺寸在亚波长量级的电介质纳米颗粒已被证明具有纳米天线的散射特性[2]，这种电介质纳米颗粒具有自己的电偶极子振荡频率，当入射光频率与电偶极子振荡频率一致时，将引起磁共振和/或电共振的现象。这种现象的对外表现是入射光将大部分被反射，且反射率具有很强的波长敏感性。由于电偶极子的振荡频率与电介质纳米颗粒的几何尺寸密切联系，因此可通过控制电介质纳米颗粒的几何尺寸来控制其响应波长。(2)硅纳米砖位相调节硅纳米砖上建立工作面坐标系xoy，硅纳米砖长边方向代表长轴，其短边方向代表短轴，长轴与x轴的夹角为朝向角φ，朝向角φ用于调节位相。入射于硅纳米砖的左旋圆偏光束或右旋圆偏光束，反射光旋向相反，同时将经历2φ的位相延迟。因此通过调整φ大小，即通过调整硅纳米砖在工作面坐标系xoy平面的朝向角，就可调节和控制反射光的位相。和现有傅里叶彩色全息技术相比，本专利技术具有以下优点和积极效果：(1)只需改变硅纳米砖的朝向角即可实现2π范围内位相调制，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，具有很高的稳定性与可靠性。(2)结构参数不同的三类硅纳米砖单元分别对红光、绿光、蓝光窄带响应，每一类硅纳米砖单元只对一种单色光进行位相调制，不同颜色的单色光间无串扰。(3)产生的红、绿、蓝三种单色全息图像共光轴，故能在很大的深度范围内保持傅里叶彩色全息图像良好的清晰度。(4)仅需要简单的二台阶微光学工艺，即可实现连续位相调制和傅里叶彩色全息功能，是激光全息领域的突破，可广泛用于真彩色显示、信息存储、防伪等领域。本文档来自技高网...

【技术保护点】
应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构，其特征是：由第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列和第三硅纳米砖单元列交替排列构成，第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列、第三硅纳米砖单元列分别由相等数量的第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元排列构成；第一硅纳米砖单元由介质基底和介质基底上刻蚀的第一硅纳米砖构成，第二硅纳米砖单元包括介质基底和介质基底上刻蚀的第二硅纳米砖，第三硅纳米砖单元包括介质基底和介质基底上刻蚀的第三硅纳米砖；第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的几何尺寸均为亚波长尺度，分别对红光、绿光、蓝光窄带响应；介质基底为长方体形，其工作面及工作面的相对面为正方形，第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元中介质基底几何尺寸相同；第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖为具有不同几何尺寸的长方体形；介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的中心点的连线垂直于介质基底工作面；第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖的朝向角分别为全息片中第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖所对应像素点的位相的一半。

【技术特征摘要】
1.应用于傅里叶彩色全息的硅纳米砖阵列结构，其特征是：由第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列和第三硅纳米砖单元列交替排列构成，第一硅纳米砖单元列、第二硅纳米砖单元列、第三硅纳米砖单元列分别由相等数量的第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元排列构成；第一硅纳米砖单元由介质基底和介质基底上刻蚀的第一硅纳米砖构成，第二硅纳米砖单元包括介质基底和介质基底上刻蚀的第二硅纳米砖，第三硅纳米砖单元包括介质基底和介质基底上刻蚀的第三硅纳米砖；第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的几何尺寸均为亚波长尺度，分别对红光、绿光、蓝光窄带响应；利用第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖的磁共振或电共振，来分别实现对红光、绿光、蓝光的窄带响应反射；介质基底为长方体形，其工作面及工作面的相对面为正方形，第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元中介质基底几何尺寸相同；第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖为具有不同几何尺寸的长方体形；介质基底和其上刻蚀的硅纳米砖的中心点的连线垂直于介质基底工作面；第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖的朝向角分别为全息片中第一硅纳米砖、第二硅纳米砖、第三硅纳米砖所对应像素点的位相的一半。2.权利要求1所述的硅纳米砖阵列结构的设计方法，其特征是，包括：(1)分别确定红光、绿光、蓝光的主波长；(2)对第一硅纳米砖单元、第二硅纳米砖单元、第三硅纳米砖单元的结构参数分别进行优化：采用电磁仿真法，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射硅纳米砖单元工作面，扫描硅纳米砖单元的结构参数，满足优化目标的结构参数即优化的结构参数；所述硅纳米砖单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，李子乐，吴伟标，吕良宇，王宇，刘国根，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42