基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法技术

本发明专利技术公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，属于微纳全息领域。本发明专利技术实现方法为：超颖表面是由具不同几何尺寸纳米矩形孔结构阵列构成；通过改变纳米矩形孔结构几何尺寸，使非线性超颖表面对出射非线性频率信号的振幅和相位进行任意地调控；利用全波矢量计算得到不同尺寸下出射非线性光场复振幅分布；基于优化GS算法计算得到振幅型全息图，并根据比特编码方法将矩形孔结构对全息图进行编码；编码确定矩形孔结构分布，从而生成相应非线性超颖表面结构阵列；通过入射两束不同频率的飞秒脉冲实现同一非线性超颖表面结构阵列的非线性全息空间和频率复用。本发明专利技术能够应用于、信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密等领域。

Four-wave mixing holographic multiplexing based on non-linear superglume surface

【技术实现步骤摘要】
基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法
本专利技术涉及一种基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，属于微纳全息领域。
技术介绍
全息可以用于记录和重建物体的所有信息。随着计算全息的出现，全息图生成可以通过编程来更简单地完成。通过使用空间光调制器和衍射光学元件实现全息的传统技术受限于的大像素尺寸，小视场角和有限的空间带宽积。超颖表面是能够灵活塑造波前的亚波长结构器件，因此它是成为实现高性能全息术的设计平台。最近，基于超颖表面的全息复用引起了广泛研究，因为它能够在相同的空间区域中记录多个图像；具有超小尺寸、亚波长分辨率和更大的视场等优点。由于设计自由度的限制和智能编码方法仍在不断探索中，到目前为止提出的基于超颖表面的计算全息复用的方法还远未完善。基于非线性超颖表面的全息利用强光场(例如飞秒激光脉冲)和非线性超颖表面之间的相互作用产生的非线性效应来获得新的频率设计自由度。通过适当地设计超颖表面，可以在产生的非线性频率处生成再现像，或者在线性频率和非线性频率都生成再现图像。因此这一全息复用的自由度能够进一步提高全息信息存储的容量。目前已经提出了一些非线性全息的方法。例如，使用非线性贝里相位原理的自旋和波长复用实现非线性超颖表面全息，可以在具有不同自旋的基频光波和二次谐波产生波中实现多重全息图像复用。基于由V形天线组成的双层非线性超颖表面，可以在相同空间再像位置处实现偏振和非线性二倍频复用。这些方法实现的频率复用均考虑针对基频波和倍频波的波前进行分别调制，由于基频波与非线性频率信号强弱差别比较大，所以复用起来需要复杂的滤波系统将基频信号和非线性频率信号分开。与此同时，更普遍的基于超颖表面的四波混频效应未得到充分研究。已报道的针对四波混频非线性效应的研究大多关注复振幅控制，效率增强，频率梳生成方面；很少有工作利用四波混频实现非线性超颖表面全息复用。超颖表面四波混频产生的非线性频率信号能够覆盖多个波长，对于扩展信息容量、实现更高维度的信息加密有巨大应用潜力和前景。此外，非线性空间和频率复用方法可以用于彩色全息显示，转换光学，数据存储、光学加密防伪相关的领域。因此实现基于非线性超颖表面的四波混频全息复用的研究具有重要意义。
技术实现思路
为了解决现有全息复用的复用自由度的问题，本专利技术公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法要解决的技术问题是：将非线性四波混频效应用于全息频率和空间复用，通过将四波混频产生的不同频率信号复振幅编码到同一超颖表面。每个超颖表面单元由具有不同尺寸的矩形孔结构构成，通过具有不同非线性频率信号产生不同全息图并在同一空间生成不同再现像，实现非线性全息空间和频率复用。进一步，本专利技术所采用的纳米孔径结构具有最简单的几何尺寸，能够具备产生并调控非线性响应的能力。同时，本专利技术能够应用于、信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密等领域。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，实现非线性空间和频率复用的超颖表面是由具不同几何尺寸纳米矩形孔结构阵列构成。通过改变纳米矩形孔结构几何尺寸，使非线性超颖表面对出射非线性频率信号的振幅和相位进行任意地调控。利用全波矢量计算得到不同尺寸下出射非线性光场复振幅分布。基于优化GS算法计算得到振幅型全息图，并根据比特编码方法将矩形孔结构对全息图进行编码。所述GS算法是全息图计算过程中在全息面和再现面迭代的优化算法。编码确定矩形孔结构分布，从而生成相应非线性超颖表面结构阵列。通过入射两束不同频率的飞秒脉冲实现同一非线性超颖表面结构阵列的非线性全息空间和频率复用。将二比特振幅编码推广到多比特振幅编码，即将二比特振幅编码方法扩展到光谱多路复用的更高维度，实现在n个频率对应的傅里叶平面上的n个不同的独立再现像生成，即实现n个非线性信号的全息空间和频率复用。本专利技术公开的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，所述非线性超颖表面由悬浮的纳米矩形孔结构构成，具有亚波长尺寸；所述纳米矩形孔结构的排布方式为周期阵列或非周期阵列；所述纳米矩形孔结构为悬浮膜刻蚀矩形形状的孔；通过改变矩形孔结构几何尺寸，实现对出射非线性信号的振幅和相位进行任意调控。所述的几何尺寸包括矩形孔结构长度、宽度、厚度以及单元周期。所述方法包括如下步骤：步骤一、在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到入射为两个不同频率飞秒脉冲的情况下出射的信号强度振幅和相位分布。在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象。改变纳米矩形孔结构的长度和宽度，得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1；在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象。四波混频属于三阶非线性效应，四波混频能够产生于任意材料以及任意表面对称性。三阶非线性效应对应的非线性磁化率为χ(3)。在入射光为两个不同频率ω1、ω2的高强度脉冲情况下，能够引起三阶非线性极化响应即非线性极化率P(3):其中：ω1、ω2和ωFWM分别是两个入射基频脉冲的角频率和产生的非线性混合频率。E1(ω1)是ω1的基频脉冲的复振幅，而是ω2的基频脉冲的复振幅共轭复振幅。四波混频对应非线性波动方程如下：其中：EFWM是所生成的非线性分量的复振幅。εeff(ωFWM)是产生的混频光ωFWM的材料有效介电常数；ε0是真空中的介电常数。通过求解等式(1)、(2)，获得圆频率ωFWM非线性分量的电磁场。计算角频率为2ω1+ω2,、2ω2+ω1和2ω2-ω1对应的三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程，如公式(3)、(4)、(5)所示，三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程相应的极化如下：P(3)(2ω1+ω2)＝ε0χ(3)(-2ω1-ω2，ω1，ω2)[E1(ω1)]2E2(ω2)(6)P（3)(2ω2+ω1)＝ε0χ(3)(-2ω2-ω1，ω1，ω2)[E2(ω1)]2E1(ω1)(7)其中：非色散三阶磁化率为预设常数。基于公式(1)-(8)，即利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1。作为优选，所述非色散三阶磁化率设定为χ(3)＝10-18m2/V2。作为优选，所述全波矢量计算方法选用基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。作为优选，所述纳米矩形孔优选金纳米矩形孔。步骤二、利用纳米矩形孔结构编码确定超颖表面阵列排布。在A、A1和B、B1中选择满足在两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2下相位分别都呈现均一分布，而振幅具有二比特分布的四种结构C，所述四种结构C为C1、C2、C3、C4；所述二比特分布是指在所调制的一个非线性频率ωFWM1下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、1、0、0；而所调制的另一个非线性频率ωFWM2下，C1、C2、C3、C4振幅分布为1、0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，所述非线性超颖表面由悬浮的纳米矩形孔结构构成，具有亚波长尺寸；所述纳米矩形孔结构的排布方式为周期阵列或非周期阵列；所述纳米矩形孔结构为悬浮膜刻蚀矩形形状的孔；通过改变矩形孔结构几何尺寸，实现对出射非线性信号的振幅和相位进行任意调控；所述的几何尺寸包括矩形孔结构长度、宽度、厚度以及单元周期；其特征在于：包括如下步骤，步骤一、在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到入射为两个不同频率飞秒脉冲的情况下出射的信号强度振幅和相位分布；步骤二、利用纳米矩形孔结构编码确定超颖表面阵列排布；步骤三：根据步骤二编码得到的超颖表面阵列进行全息频率和空间复用，实现非线性全息空间和频率复用。

【技术特征摘要】
1.基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，所述非线性超颖表面由悬浮的纳米矩形孔结构构成，具有亚波长尺寸；所述纳米矩形孔结构的排布方式为周期阵列或非周期阵列；所述纳米矩形孔结构为悬浮膜刻蚀矩形形状的孔；通过改变矩形孔结构几何尺寸，实现对出射非线性信号的振幅和相位进行任意调控；所述的几何尺寸包括矩形孔结构长度、宽度、厚度以及单元周期；其特征在于：包括如下步骤，步骤一、在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到入射为两个不同频率飞秒脉冲的情况下出射的信号强度振幅和相位分布；步骤二、利用纳米矩形孔结构编码确定超颖表面阵列排布；步骤三：根据步骤二编码得到的超颖表面阵列进行全息频率和空间复用，实现非线性全息空间和频率复用。2.如权利要求1所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：还包括步骤四，将步骤一至三所述基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法应用于信号处理、光学存储、高维度全息防伪和光学加密领域，提高信号处理速度、光学存储容量、高维度全息防伪和光学加密的安全性。3.如权利要求1或2所述的基于非线性超颖表面的四波混频全息复用方法，其特征在于：步骤一实现方法为，在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象；改变纳米矩形孔结构的长度和宽度，得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1；在纳米矩形孔结构的厚度和周期均固定的情况下，选择位于光波段内的两个出射非线性频率ωFWM1、ωFWM2的光场作为调制对象；四波混频属于三阶非线性效应，四波混频能够产生于任意材料以及任意表面对称性；三阶非线性效应对应的非线性磁化率为χ(3)；在入射光为两个不同频率ω1、ω2的高强度脉冲情况下，能够引起三阶非线性极化响应即非线性极化率P(3):其中：ω1、ω2和ωFWM分别是两个入射基频脉冲的角频率和产生的非线性混合频率；E1(ω1)是ω1的基频脉冲的复振幅，而是ω2的基频脉冲的复振幅共轭复振幅；四波混频对应非线性波动方程如下：其中：EFWM是所生成的非线性分量的复振幅；εeff(ωFWM)是产生的混频光ωFWM的材料有效介电常数；ε0是真空中的介电常数；通过求解等式(1)、(2)，获得圆频率ωFWM非线性分量的电磁场；计算角频率为2ω1+ω2,、2ω2+ω1和2ω2-ω1对应的三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程，如公式(3)、(4)、(5)所示，三个输出非线性分量通过相应非线性波动方程相应的极化如下：P(3)(2ω1+ω2)＝ε0χ(3)(-2ω1-ω2，ω1，ω2)[E1(ω1)]2E2(ω2)(6)P(3)(2ω2+ω1)＝ε0χ(3)(-2ω2-ω1，ω1，ω2)[E2(ω1)]2E1(ω1)(7)其中：非色散三阶磁化率为预设常数；基于公式(1)-(8)，即利用四波混频效应、通过全波矢量计算得到出射非线性频率ωFWM1对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布A和A1；得到出射非线性频率二ωFWM2对应的光场随长度和宽度的振幅和相位分布B和B1。4.如权利要求3所述的基于非线性超...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，林泽萌，徐振涛，李晓炜，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11