基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法技术

本发明专利技术公开的一种基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，属于微纳光学和全息显示应用技术领域。磁光超表面是由金属纳米阵列

【技术实现步骤摘要】
基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法


[0001]本专利技术涉及一种基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，属于微纳光学和全息显示应用


技术介绍

[0002]超表面是一种由亚波长微纳尺寸阵列构成的二维人工平面器件，通过精心设计纳米阵列单元的几何形状、结构尺寸和空间排布，调整亚单元对入射光场的共振响应，使得超表面能够实现光场振幅、相位和偏振等物理量的灵活调控。与三维超材料相比，超表面具有超小体积、亚波长像素、设计灵活性高、易于集成及易于加工制造等优势，使得它在全息显示、光束整形、超透镜、光学信息加密与防伪、集成光通信等领域极具应用潜力。其中，超表面全息技术是利用计算全息原理将物体的振幅和相位信息编码为亚波长尺寸的超原子阵列，从而实现物体的记录和图像重构，相比于传统全息显示技术具有超小尺寸、高分辨率、宽频带、及大视场角等优势。为了提高器件的图像存储容量和安全性，多种全息复用技术例如多波长复用、偏振复用、角度复用等被提出，但是这些调制方式是无源的，无法满足超表面在实时动态光场调控应用方面的需求，因此，亟需推动超表面从被动向主动可调的方向发展。
[0003]当前构建主动可调超表面的物理调控方法，主要包括机械调控、温度调控、电压调控、电化学调控、光场调控和磁场调控等。其中，磁场调控方式因具有亚纳秒级超快响应、非接触及连续可调的优势，成为极具潜力的光场动态调控手段。磁光超表面是一种包含磁光功能材料的复合人工微结构，在外磁场作用下，由于左旋和右旋圆偏光在磁光介质中传播速率和吸收不同，二者产生一定的振幅和相位差，使得入射的线偏振光产生正交的偏振分量，偏振面发生一定角度的旋转，即产生磁光效应，因此，包含磁光材料的混合超表面可实现对光场振幅、相位和偏振态等物理量的调控。然而，对于微纳尺度的磁光材料而言，其本身产生的磁光效应较弱，将其与微纳阵列构成的超表面结合实现较强的磁光响应具有一定的挑战。因此，现有研究多采用纳米结构与各种光学共振现象如磁光等离激元共振、Fano共振和Mie共振等结合的方式提高结构的磁光性能，但大部分研究关注于如何利用周期性纳米阵列构成的磁光超表面实现光强和偏振旋转角调制效率的提高，至今未见通过对纳米阵列的形状尺寸灵活设计实现磁光超表面在磁控动态全息显示的应用报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提供一种基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，所述的磁光超表面是由金属纳米阵列
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磁光膜
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金属膜
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衬底构成，通过对磁光超表面不施加或施加外部磁场激励，使得磁光膜在无偏振转换和有偏振转换特性之间切换，并通过全波矢量方法优化金属纳米阵列的单元尺寸和其他结构参数，结合计算全息方法对磁光超表面进行结构设计和复振幅信息编码排布，使得磁光超表面能够实现在无外磁场作用时与入射光相同的偏振通道以及有外磁场作用时与入射光正交的偏振通道具有不同的光场振幅和相位
调制，进而实现动态加密的全息显示。
[0005]本专利技术目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，所述的磁光超表面由金属纳米阵列
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磁光膜
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金属膜
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衬底构成，金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里
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珀罗谐振腔一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率。通过改变金属纳米阵列的单元尺寸，使磁光超表面对出射光束的振幅和相位能够进行任意地调控，出射光束的相位调制范围尽量覆盖0～2π，通过施加外磁场激励使磁光膜的介电张量非对角元变为非零量，此时磁光膜具有偏振转换特性，能够使与入射光相互正交的出射偏振光束具有振幅和相位调制特性。为了使同一个磁光超表面结构在相同和正交偏振通道具有磁控动态全息显示功能，即实现偏振全息复用，首先利用全波矢量方法计算得到在有无外磁场激励时由不同几何尺寸纳米阵列构成的磁光超表面的出射光束振幅和相位分布，然后，在上述结果中挑选出无外磁场激励时相同偏振通道以及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)对应的四组结构参数。进一步，基于相位计算全息方法生成对应无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的两幅独立的全息图，并根据二值相位编码方法以及所生成的全息图各像素对应于相同和正交偏振通道的相位值组合形式进行磁光超表面阵列结构和复振幅信息的编码排布。利用计算全息方法和时域有限差分法对所设计的磁光超表面结构进行有无外磁场激励时的全息图生成及再现像重建，实现同一个磁光超表面在相同和正交偏振通道的动态全息显示。
[0007]本专利技术公开的基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：所述的磁光超表面由金属纳米阵列
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磁光膜
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金属膜
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衬底构成，金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里
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珀罗谐振腔一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率。所述磁光超表面的顶层选择周期排布的金属矩形纳米孔结构，通过金属矩形孔几何尺寸变化产生的反射光束振幅和相位变化以及磁光材料在有无外磁场激励时的介电张量变化导致的反射光束有无偏振转换特性实现磁光超表面的主动光场调控和动态全息显示。利用全波矢量方法对结构的几何尺寸参数和入射光波长进行优化，明确金属矩形孔厚度、磁光膜厚度、金属膜厚度、单元周期和入射光波长等参数，并在上述参数固定情况下，分别计算得到在无外磁场激励和有外磁场激励条件下改变金属矩形纳米孔单元长度和宽度对应的磁光超表面在与入射光束相同和正交偏振通道出射光束振幅和相位分布。为了使磁光超表面的出射光束调制效果更好，尽量保证相同和正交偏振通道出射光束的相位调制范围覆盖0～2π，同时反射率较高。
[0009]步骤二：为了使同一个磁光超表面结构在无外磁场激励时相同偏振通道和有外磁场激励时正交偏振通道能够显示两幅独立的全息图，根据二值相位计算全息生成方法，从步骤一的全波矢量计算结果中挑选出无外磁场激励时相同偏振通道以及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)对应的四组结构参数，由于与入射光束相同和正交的偏振通道相互独立，因此所挑选的四组结构的出射光束反射率仅需在各个偏振通道尽量满足均一，此外，所挑选的四组结构在两个偏振通道对应的出射光束相位值是任意的，仅需保证在两个偏振通道的相位差值满足上述四种组合即满足要求。
[0010]步骤三：基于相位计算全息方法生成对应无外磁场激励和有外磁场激励两种条件的两幅独立的全息图，并根据二值相位编码方法以及所生成的全息图各像素对应于相同和正交偏振通道的相位值组合形式将磁光超表面阵列各单元结构尺寸替换为所挑选的四组结构参数，即进行磁光超表面阵列结构设计和复振幅信息的编码排布。
[0011]步骤四：磁光超表面的磁控动态全息显示能够通过两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于磁光超表面的磁控动态全息显示方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：所述的磁光超表面由金属纳米阵列
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磁光膜
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金属膜
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衬底构成，金属纳米阵列与金属膜两个金属层之间构建的法布里
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珀罗谐振腔一方面能够提高出射光束的反射率，另一方面能够提高磁光膜在外磁场激励下的偏振转换效率；所述磁光超表面的顶层选择周期排布的金属矩形纳米孔结构，通过金属矩形孔几何尺寸变化产生的反射光束振幅和相位变化以及磁光材料在有无外磁场激励时的介电张量变化导致的反射光束有无偏振转换特性实现磁光超表面的主动光场调控和动态全息显示；利用全波矢量方法对结构的几何尺寸参数和入射光波长进行优化，明确金属矩形孔厚度、磁光膜厚度、金属膜厚度、单元周期和入射光波长等参数，并在上述参数固定情况下，分别计算得到在无外磁场激励和有外磁场激励条件下改变金属矩形纳米孔单元长度和宽度对应的磁光超表面在与入射光束相同和正交偏振通道出射光束振幅和相位分布；为了使磁光超表面的出射光束调制效果更好，尽量保证相同和正交偏振通道出射光束的相位调制范围覆盖0～2π，同时反射率较高；步骤二：为了使同一个磁光超表面结构在无外磁场激励时相同偏振通道和有外磁场激励时正交偏振通道能够显示两幅独立的全息图，根据二值相位计算全息生成方法，从步骤一的全波矢量计算结果中挑选出无外磁场激励时相同偏振通道以及有外磁场激励时正交偏振通道满足振幅均一且相位差值组合为(0，0)，(0，π)，(π，0)，(π，π)对应的四组结构参数，由于与入射光束相同和正交的偏振通道相互独立，因此所挑选的四组结构的出射光束反射率仅需在各个偏振通道尽量满足均一，此外，所挑选的四组结构在两个偏振通道对应的出射光束相位值是任意的，仅需保证在两个偏振通道的相位差...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕钰，黄玲玲，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：