基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，包括：构建超表面单元结构，超表面单元结构包括基底、设置在基底上的第一纳米砖以及嵌于基底中的第二纳米砖；优化得到第一纳米砖和第二纳米砖的结构参数；构建超表面结构阵列，其包括多个超表面单元结构；根据入射光先后经过第一纳米砖和第二纳米砖以及先入射至第二纳米砖再入射到第一纳米砖两种模式下的近场图案和远场图案的成像要求，从中找出能同时满足近场成像的强度分布又在远场能形成相位型傅里叶全息图的第一纳米砖转向角θ

Two channel nano printing and two channel holography based on stacked super surface

【技术实现步骤摘要】
基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法
本专利技术涉及微纳光学及图像显示的
，具体涉及一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法。
技术介绍
由超薄的亚波天线组成的超表面为实现平面光学设备提供了一种方法。当前超表面被广泛在透镜，全息图，光学隐身等领域。相比于传统的光学，超表面的显著的特点是能实现多功能性。当前多功能超表面主要是通过改变入射光的偏振态、入射角度、波长来产生不同的图像。然而现有的方法不能实现在同一个片子上同时编码两幅纳米印刷图像和两幅全息图像。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，通过该方法制得的超表面材料能够在一片超表面材料上编码4幅完全不相关的图像。本专利技术为一种新的信息复用方法，能大大增强信息容量，在图像显示，光学存储，防伪等领域具有很大的应用前景。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，包括如下步骤：构建超表面单元结构，所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底的第一工作面上的第一纳米砖以及嵌于所述基底中的第二纳米砖，所述第一纳米砖与所述第一工作面形成第一纳米砖单元结构，所述第二纳米砖沉积在所述基底内的第二工作面上，所述第二纳米砖与所述第二工作面形成第二纳米砖单元结构，所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构对应设置，以平行于所述基底第一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，所述第一纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L1和短轴W1，所述第二纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L2和短轴W2，所述第一纳米砖转向角θ1为所述第一纳米砖的长轴L1与x轴方向的夹角，所述第二纳米砖转向角θ2为所述第一纳米砖的长轴L2与x轴方向的夹角；优化得到所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构的结构参数；构建超表面结构阵列，所述超表面结构阵列包括多个所述超表面单元结构，以强度为I0、偏振方向为α1的线偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构，得到在此工作模式下的透射光强I1与所述线偏光偏振方向α1、第一纳米砖转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2之间的第一函数关系；以强度为I0、偏振方向为α2的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构，得到该工作模式下的透射光强I2与所述线偏振光的偏振方向α2、第一纳米砖转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2之间的第二函数关系；设计以强度为I0、偏振方向为α1的线偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述叠层超表面结构阵列的近场产生第一图像，再设计强度为I0、偏振方向为α2的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的近场产生第二图像，根据第一图像和第二图像的光强分布要求以及第一函数关系和第二函数关系得出具有四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ1和所述第二纳米砖转向角θ2；之后以设计以圆偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第三图像，再设计以圆偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第四图像，根据第三图像和第四图像的相位分布要求、琼斯矩阵公式以及前述得到的四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ1和所述第二纳米砖转向角θ2计算求出所述超表面结构阵列中每个所述超表面单元结构中的所述第一纳米砖转向角θ1值和所述第二纳米砖转向角θ2值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述超表面单元结构上的所述第一纳米砖和所述第二纳米砖按得到的各位置处对应的所述第一纳米砖转向角θ1值和所述第二纳米砖转向角θ2值进行排布，从而获得能产生实现双通道纳米印刷和双通道全息的超表面材料。进一步地，优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的第一纳米砖单元结构的结构参数以及优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的第二纳米砖单元结构的结构参数。进一步地，优化得到所述第一纳米砖单元结构的结构参数的方法为：以偏振方向沿第一纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿第一纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述第一纳米砖单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述第一纳米砖单元结构的结构参数优化得到所述第二纳米砖单元结构的结构参数的方法为：以工作波长的圆偏振光垂直入射所述第二纳米砖单元结构，入射圆偏振光的透射交叉偏振效率不低于80％且透射的同向偏振效率不高于1％优化目标，在工作波长下扫描所述第二纳米砖单元结构，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述第二纳米砖单元结构的结构参数。进一步地，所述第一纳米砖单元结构的结构参数包括所述第一纳米砖的长轴L1、短轴W1和高H1以及所述第一工作面边长C1的尺寸，所述第二纳米砖单元结构的结构参数包括所述第二纳米砖的长轴L2、短轴W2和高H2以及所述第二工作面边长C2的尺寸。进一步地，出射光强I1的第一函数关系为：I1＝I0sin2(θ1-α1)；出射光强I2的第二函数关系为：I2＝I0sin2(2θ2-θ1-α2)。进一步地，四种自由度的第一纳米砖的转向角为θ1，π/2-θ1，π/2+θ1，π-θ1时，四种自由度的第二纳米砖的转向角为θ2，π/2-θ2，π/2+θ2，π-θ2。进一步地，所述基底包括第一基底和与所述第一基底相连的第二基底，所述第二纳米砖嵌于所述第一基底中，所述第一工作面为所述第一基底上背离所述第二基底的面，所述第二工作面为第二基底上与所述第一基底接触的面。进一步地，所述基底由熔融石英玻璃材料制成，所述第一纳米砖由银材料制成，所述第二纳米砖均由硅材料制成。本专利技术的另一目的是提供一种根据上述的基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法设计出的超表面材料。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：1)本专利技术所提出的一种基于叠层超表面结构实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法可以实现在一片超表面材料上编码四幅完全无关的图像，设计灵活，功能强大，具有非常广阔的应用前景；2)本专利技术的纳米砖单元结构的尺寸均为亚波长级，因此本专利技术所设计的超表面具有体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。3)本专利技术生成的四幅图像可以独立设计，互不影响，可以满足不同的设计需要，为信息复用提供一种新的方法。附图说明图1为本专利技术实施例中超表面结构阵列的效果示意图；图2为本专利技术实施例中超表面单元结构的示意图；图3为本专利技术实施例中纳米砖起偏器透反射率扫描图；图4为本专利技术实施例中纳米砖半波片透反射率扫描图；图5为本专利技术实施例在第一种工作模式下同时实现的纳米印刷图和全息图；图6为本专利技术实施例在第二种工作模式下同时实现的纳米印刷图和全息图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n构建超表面单元结构，所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底的第一工作面上的第一纳米砖以及嵌于所述基底中的第二纳米砖，所述第一纳米砖与所述第一工作面形成第一纳米砖单元结构，所述第二纳米砖沉积在所述基底内的第二工作面上，所述第二纳米砖与所述第二工作面形成第二纳米砖单元结构，所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构对应设置，以平行于所述基底第一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，所述第一纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L

【技术特征摘要】
1.一种基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建超表面单元结构，所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底的第一工作面上的第一纳米砖以及嵌于所述基底中的第二纳米砖，所述第一纳米砖与所述第一工作面形成第一纳米砖单元结构，所述第二纳米砖沉积在所述基底内的第二工作面上，所述第二纳米砖与所述第二工作面形成第二纳米砖单元结构，所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构对应设置，以平行于所述基底第一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，所述第一纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L1和短轴W1，所述第二纳米砖上与所述第一工作面平行的面上具有长轴L2和短轴W2，所述第一纳米砖转向角θ1为所述第一纳米砖的长轴L1与x轴方向的夹角，所述第二纳米砖转向角θ2为所述第一纳米砖的长轴L2与x轴方向的夹角；
优化得到所述第一纳米砖单元结构和所述第二纳米砖单元结构的结构参数；
构建超表面结构阵列，所述超表面结构阵列包括多个所述超表面单元结构，以强度为I0、偏振方向为α1的线偏振光依次入射至第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构，得到在此工作模式下的透射光强I1与所述线偏光偏振方向α1、第一纳米砖转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2之间的第一函数关系；以强度为I0、偏振方向为α2的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构，得到该工作模式下的透射光强I2与所述线偏振光的偏振方向α2、第一纳米砖转向角θ1和第二纳米砖转向角θ2之间的第二函数关系；设计以强度为I0、偏振方向为α1的线偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述叠层超表面结构阵列的近场产生第一图像，再设计强度为I0、偏振方向为α2的线偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的近场产生第二图像，根据第一图像和第二图像的光强分布要求以及第一函数关系和第二函数关系蕴含的非单调性，得出具有四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ1和所述第二纳米砖转向角θ2；之后设计以圆偏振光依次入射所述第一纳米砖单元结构、所述基底和所述第二纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第三图像，再设计以圆偏振光依次入射所述第二纳米砖单元结构、所述基底以及所述第一纳米砖单元结构其在所述超表面结构阵列的远场产生第四图像，根据第三图像和第四图像的相位分布要求、琼斯矩阵公式以及前述得到的四种自由度的所述第一纳米砖转向角θ1和所述第二纳米砖转向角θ2计算求出所述超表面结构阵列中每个所述超表面单元结构中的所述第一纳米砖转向角θ1值和所述第二纳米砖转向角θ2值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述超表面单元结构上的所述第一纳米砖和所述第二纳米砖按得到的各位置处对应的所述第一纳米砖转向角θ1值和所述第二纳米砖转向角θ2值进行排布...

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