基于偏振控制的信息复用方法技术

本发明专利技术涉及一种基于偏振控制的信息复用方法，利用蕴含在Malus定律中的出射光强的简并性，借助于各向异性微纳结构，通过改变入射光和检偏器的偏振态，实现不同图像的转换，包括如下步骤：构建微纳结构单元并确定其结构参数；构建微纳结构阵列，根据在微纳结构阵列的表面设定以偏振方向为α

Information multiplexing method based on polarization control

【技术实现步骤摘要】
基于偏振控制的信息复用方法
本专利技术涉及微纳光学的
，具体涉及一种基于偏振控制的信息复用方法。
技术介绍
机器学习、云计算、大数据等新兴科学技术的出现使得信息复用技术备受关注。其中，基于光的振幅、相位、偏振特性的光学信息复用技术具有很大的潜力。当前的光学信息复用技术大体上可以分为两类，基于光波响应的复用和空间响应复用。前者通过优化微纳结构尺寸使其在不同入射光条件下响应不同，这种方法对加工要求高，且图像很容易失真。空间响应复用是通过交错排布具有独特响应的微纳阵列，这种方法不仅会降低图像分辨率，而且会使得微纳结构阵列不够紧凑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于偏振控制的信息复用方法，该复用方式操作简单，仅仅利用一种尺寸的微纳结构即可以实现图像转换功能，因此在高端防伪、偏振显示、图像隐藏等领域具有很好的发展前景。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：一种基于偏振控制的信息复用方法，包括如下步骤：S1：构建微纳结构单元；所述微纳结构单元包括基底以及设置在所述基底工作面上且具有各向异性的微纳砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述微纳砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述微纳砖的转向角为所述微纳砖的长轴L与x轴的夹角θ；S2：根据工作波长λ确定所述微纳砖结构单元的结构参数，所述结构参数包括：所述工作面的边长C以及所述微纳砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸，其中，所述微纳砖的长轴L与短轴W尺寸不相等；S3：构建微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括多个微纳结构单元；设定以偏振方向为α1的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第一图像，根据出射光强和微纳结构单元的特性得出微纳砖的转向角具有多个出射光强相同的自由度，将该具有出射光强相同的多个转向角作为微纳砖转向角的多种候选角度，再设定以偏振方向为的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第二图像，然后根据第二图像成像的出射光强要求，确定每个所述微纳结构单元上的所述微纳砖的转向角θ是以多种候选角度中的哪一个角度设置在所述基底工作面上，以使得构建的所述微纳结构阵列既能满足所述第一图像的出射光强要求也能满足所述第二图像的出射光强要求。进一步地，以偏振方向为的线偏振光入射所述微纳结构阵列并经过偏振方向与该线偏振光偏振方向垂直的检偏器产生与所述第一图像互补的第三图像，以偏振方向为线偏振光入射所述微纳结构阵列并经过偏振方向与该线偏振光偏振方向垂直的检偏器产生与所述第二图像互补的第四图像。进一步地，所述微纳结构单元为纳米量级的超表面材料或者毫米量级的图案化延迟器。进一步地，微纳砖的多种候选角度为：其中，α1为入射线偏振光的偏振方向，I0为入射线偏振光的强度，I1为出射光强，A,B分别为当沿着微纳结构长轴L、短轴W的线偏振光入射时的复透过或反射系数。进一步地，确定微纳砖结构单元的结构参数的方法为以工作波长λ的圆偏光垂直入射微纳砖结构单元，采用电磁仿真软件优选出反向偏振光的转化效率大于同向偏振光的反射效率的微纳结构单元的结构参数。进一步地，确定微纳砖结构单元的结构参数的方法为以工作波长λ的线偏光垂直入射微纳砖结构单元，采用电磁仿真软件优选得到沿着纳米砖长轴L方向垂直入射的线偏光的反射效率大于其透射效率且沿着纳米砖短轴W方向垂直入射的线偏光的透射效率大于其反射效率的微纳砖结构单元的参数。本专利技术涉及的技术原理如下：线偏光经过微纳结构单元和检偏器后的出射光强公式为：其中，θ为微纳砖转向角，I0为入射线偏振光的强度，A,B为当沿着微纳结构单元的长轴L和短轴W的线偏振光入射时的复透过或反射系数，α1为入射线偏振光的偏振方向，α2为检偏器的透光轴方向。而由于微纳结构单元为各向异性结构(A≠B)，即需要保证微纳砖的长轴L与短轴W不相等，故微纳砖的横截面可以为长方形或者椭圆形的等非对称的形状，且起偏器和检偏器的偏振方向垂直(α2＝α1+π/2),出射光强公式可简化为：对于一个选定的入射线偏光方向，通过改变微纳结构单元的转向角，可以实现出射光强的连续任意调控。根据上述数学函数中蕴含的出射光强度简并性，即在同样的出射光强下，该微纳结构单元具有多个转向角的自由度。根据上述出射光强公式，我们可以得出该微纳结构单元具有四种转向角的自由度，4种转向角分别为：上述四种转向角对应一个相同的出射光强I1。即当微纳结构单元中的微纳砖以上述四种角度在工作面上任意排布，采用偏振方向为α1的线偏振光入射所述微纳结构阵列时，在微纳结构阵列的表面产生的出射光强相同。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：1、本专利技术利用蕴含在Malus定律中的出射光强的简并性，借助于各向异性微纳结构，通过改变入射光和检偏器的偏振态，实现不同图像的转换；本专利技术中的微纳结构阵列在不同偏振状态下形成的两幅图像相互独立且可分别设计，该两幅图像没有任何相关性，也无法相互推断，可应用于偏振显示、加密、高端防伪等领域，为未来的安全技术提供一种新的方法和途径；2、本专利技术的设计方法巧妙，所用结构简单，仅仅需要一种几何尺寸的微纳结构即可以实现图像转换功能3、本专利技术所产生的第一图像可以为任意、连续灰度图像。第二图像为类似二值图像，且第二图像的背景图案的花纹可以是位置随机，大小随机的三角形、圆形、正方形，花纹位置，不易于被模仿和伪造，因此用户可以自定义图案，并以此为唯一标识，应用于高端手表、奢侈品、芯片等需要防伪的器件，具有广泛的应用前景。4、本专利技术的微纳结构单元只需要为各向异性结构就可以实现，不需要是起偏器或者半波片，因此本专利技术具有很强的加工误差容忍度；5、本专利技术的微纳结构可以是几何尺寸为纳米量级的超表面材料，由于超表面体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来与小型化、微型化的器件集成；本专利技术的微纳结构也可以是几何尺寸为毫米量级的图案化延迟器，由于图案化延迟器可以批量生产和大面积加工，因此可以用于生产肉眼直接可见的大面积图案，具有很好的商业化应用潜力。附图说明图1是本专利技术实施例1中SOI纳米砖半波片单元的结构示意图；图2是本专利技术实施例1中SOI纳米砖半波片单元结构的透反射率扫描图；图3是本专利技术实施例1中SOI纳米砖半波片转向角简并性的示意图。图4是本专利技术实施例1中设计的第一图像和第二图像，其中(a)为第一图像，(b)为第二图像；图5是本专利技术实施例1基于偏振控制复用的效果图，(a)为第一图像，(b)为第二图像；图6是本专利技术实施例2中Ag纳米砖起偏器单元的结构示意图；图7是本专利技术实施例2中Ag纳米砖起偏器单元结构的透反射率扫描图；图8是本专利技术实施例2中设计的第一组的第一图像和第二图像，其中(a)为第一图像，(b)为第二图像；图9是本专利技术实施例2中设计的第二组的第一图像和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：构建微纳结构单元；所述微纳结构单元包括基底以及设置在所述基底工作面上且具有各向异性的微纳砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述微纳砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述微纳砖的转向角为所述微纳砖的长轴L与x轴的夹角θ；/nS2：根据工作波长λ确定所述微纳砖结构单元的结构参数，所述结构参数包括：所述工作面的边长C以及所述微纳砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸，其中，所述微纳砖的长轴L与短轴W尺寸不相等；/nS3：构建微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括包括多个微纳结构单元；设定以偏振方向为α

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建微纳结构单元；所述微纳结构单元包括基底以及设置在所述基底工作面上且具有各向异性的微纳砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述微纳砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述微纳砖的转向角为所述微纳砖的长轴L与x轴的夹角θ；
S2：根据工作波长λ确定所述微纳砖结构单元的结构参数，所述结构参数包括：所述工作面的边长C以及所述微纳砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸，其中，所述微纳砖的长轴L与短轴W尺寸不相等；
S3：构建微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括包括多个微纳结构单元；设定以偏振方向为α1的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第一图像，根据出射光强和微纳结构单元的特性得出微纳砖的转向角具有多个出射光强相同的自由度，将该具有出射光强相同的多个转向角作为微纳砖转向角的多种候选角度，再设定以偏振方向为的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第二图像，然后根据第二图像成像的出射光强要求，确定每个所述微纳结构单元上的所述微纳砖的转向角θ是以多种候选角度中的哪一个角度设置在所述基底工作面上，以使得构建的所述微纳结构阵列既能满足所述第一图像的出射光强要求也能满足所述第二图像的出射光强要求。


2.如权利要求1所述的基于偏振控...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓娟，郑国兴，李子乐，李仲阳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42