基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法技术

本发明专利技术涉及一种基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，属于微纳光学、全息显示和信道复用应用技术领域。该方法使用一种迭代的梯度下降优化算法获得参与级联的两张超颖表面全息图的相位分布，并将其通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程用非晶硅纳米棒天线编码于不同的玻璃基底上。使用该方法进行全息加密时，只有将两张单层超颖表面全息图按照正确的相对面内旋转角度进行堆叠时，才能读取加密信息，能够应用于需要隐藏保密数据的信息安全，加密和防伪等领域。此外，旋转复用级联超颖表面系统的全息再现像可以被编码于离散且等距的角向空间位置之上，这使其具有了用作光学量角器的潜力。的潜力。的潜力。

【技术实现步骤摘要】
基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法


[0001]本专利技术涉及一种基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，属于微纳光学、全息显示和信道复用应用


技术介绍

[0002]超颖表面通常由亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成，能够对光场的振幅、相位、偏振、波长和轨道角动量等特性进行高自由度的调制，在微纳全息，彩色印刷，光束整形，边缘检测，光学加密和防伪等领域有着广阔的应用前景。对于超颖表面来说，信息容量是非常重要的属性。作为信息的载体，超颖表面能够在亚波长尺度密集地存储光学信息，其信息容量越高，能够记录的信息就越多。为了提高超颖表面的信息容量，在不增加超颖表面所包含的像素数目的情况下，拓展出额外的信道用以记录更多目标图像的技术称为复用技术。目前比较常见的超颖表面复用技术包括合成谱法、空间复用、位置复用、偏振复用、波长复用和角度复用等，这些方法利用全息算法编写，超颖原子的排布方式、结构特征或波前调制机理等不同途径引入了新的自由度，大大增加了超颖表面的信息容量。
[0003]然而，对于单层超颖表面来说，由于其相对自身结构平面具有镜像对称性，其自由度的数量是有限的。另一方面，单层超颖表面只能通过设计并排布超颖表面上的超颖原子来提供额外的信息通道，而无法做到信息的物理拆分。近年来，多层超颖表面和级联超颖表面得到了迅速发展，并实现了许多前所未有的功能，其中集成化的多层超颖表面可用于实现多光谱消色差超透镜，图像微分，具有相位调制功能的非对称传输，与传播方向有关的差异化波前调制，与彩色印刷相结合的微纳全息等。而对于组成组件可以被替换、平移或旋转的级联超颖表面，则可用于处理光线传播轨迹，构建焦距可调的莫尔超透镜，实现动态波前调制等。
[0004]此外，为了促进级联超颖表面在加密防伪和信息安全等领域的实际应用，级联超颖表面全息术开始得到研究人员的重视。但是，现有的级联超颖表面信息容量仍然比较小，多功能性相对较差，在实际应用中受到诸多限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决现有的级联超颖表面信息容量比较小，多功能性相对较差的问题。本专利技术提供一种基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法；该方法利用两张超颖表面全息图之间的相对面内旋转角度作为一个新的设计自由度，在每张超颖表面全息图能够再现其自身目标图像的同时，把多个处于不同相对面内旋转角度的级联超颖表面视为完全不同的光学系统，在其上对多个不同的全息再现像进行编码；即基于级联超颖表面重建出的多个不同的全息图像，能够通过将级联超颖表面系统中的一张超颖表面全息图绕其自身几何中心的法线旋转来切换。本专利技术提供的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，能够借助相对面内旋转角度编码大量信息，赋予了级联超颖表面更大的信息容量和更强的多功能性。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、使用迭代的梯度下降优化算法高效且直接地获得构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布。所述的两张超颖表面全息图A和B各自对应一个彼此独立的再现像，且当两张超颖表面全息图以预设距离进行堆叠时，还能够根据不同的相对面内旋转角度再现出多个全新的再现像。
[0009]所述的使用迭代的梯度下降优化算法得到构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布，具体实现方法包括如下步骤：
[0010]步骤一、计算超颖表面全息图A级联之前对应的再现像C1，将再现像C1与A的目标图像进行对比，计算均方误差E1；
[0011]步骤二、计算超颖表面全息图B级联之前对应的再现像C2，将再现像C2与B的目标图像进行对比，计算均方误差E2；
[0012]步骤三、当超颖表面全息图A与超颖表面全息图B进行级联时，将超颖表面全息图B绕其自身几何中心的法线进行原位旋转，获得对应N个不同相对面内旋转角度的N个级联超颖表面系统的N个再现像C
3_1
，C
3_2
，
…
，C
3_N
,分别将再现像C
3_1
，C
3_2
，
…
，C
3_N
与各自的目标图像进行对比，计算均方误差E
3_1
，E
3_2
，
…
，E
3_N
；
[0013]步骤四、将均方误差E1、E2和E
3_1
，E
3_2
,
…
,E
3_N
加在一起，获得总误差；
[0014]步骤五、通过步骤四所得总误差得到梯度：所述梯度为总误差对两张超颖表面全息图A和B的相位分布的导数；
[0015]步骤六、依据步骤五所得梯度，基于Adam梯度下降优化算法对两张超颖表面全息图A和B的相位分布进行更新；
[0016]步骤七、重复步骤一到步骤六，进行多次迭代，在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布，确保最终将梯度收敛至局部最优，找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
[0017]步骤二、级联超颖表面由反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线排布构成；使用所述介质纳米天线编码所述总误差最小的超颖表面全息图的空间相位分布：所述介质纳米天线排布为空间阵列，通过自身不同面内方位角调制所述空间相位分布。
[0018]通过介质纳米天线编码步骤一所得的旋转复用级联超颖表面全息图的相位分布。
[0019]所述编码是通过几何相位调制原理调制相位实现的，具体方法为：使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线，根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角。基于几何相位的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时，能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为
±
2θ的相互共轭的相位调制，其中“+”或
“‑”
是由入射光和出射光的具体偏振态组合(左旋/右旋，右旋/左旋)决定的。
[0020]步骤三、通过沉积、光刻、剥离和蚀刻方法将介质纳米天线构成的全介质超颖表面全息图A和B加工在不同的玻璃基底上。所述的全介质超颖表面全息图A和B可以通过透镜在远场重建出彼此独立的再现像；同时，当全介质超颖表面全息图A和B以预设距离进行堆叠，组成级联超颖表面系统时，在特定的N个相对面内旋转角度下产生N个全新的再现像，实现基于级联超颖表面全息术的旋转复用。
[0021]步骤二所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。
[0022]所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)确定。
[0023]有益效果：
[0024]1、本专利技术公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，能够赋予级联超颖表面系统极大的信息容量，不仅组成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，其特征在于：包括如下步骤：使用迭代的梯度下降优化算法得到构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布；所述的两张超颖表面全息图A和B各自对应一个彼此独立的再现像；且当两张超颖表面全息图以预设距离进行堆叠时，还能够根据不同的相对面内旋转角度再现出多个全新的再现像。2.如权利要求1所述的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，其特征在于：使用迭代的梯度下降优化算法得到构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布，包括如下步骤：步骤一、计算超颖表面全息图A级联之前对应的再现像C1，将再现像C1与A的目标图像进行对比，计算均方误差E1；步骤二、计算超颖表面全息图B级联之前对应的再现像C2，将再现像C2与B的目标图像进行对比，计算均方误差E2；步骤三、当超颖表面全息图A与超颖表面全息图B进行级联时，将超颖表面全息图B绕其自身几何中心的法线进行原位旋转，获得对应N个不同相对面内旋转角度的N个级联超颖表面系统的N个再现像C
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，
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,分别将再现像C
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与各自的目标图像进行对比，计算均方误差E
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；步骤四、将均方误差E1、E...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，魏群烁，赵睿哲，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：