基于超颖表面的三维矢量全息成像方法技术

本发明专利技术公开的基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，属于微纳光学、衍射光学和全息成像应用技术领域。本发明专利技术实现方法为：将对全息再现像偏振态的操控引入全息图计算过程中，在不同再现像平面施加所需偏振响应限制，对三维全息再现像偏振态进行任意操控。利用矩阵极分解方法，根据反向传播所得电场分布生成酉矩阵形式全息图。通过偏振旋转矩阵结合超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，将生成酉矩阵形式的全息图编码于超颖表面当中，根据超颖表面每个单元纳米柱的尺寸和方位角生成相应介质超颖表面结构的加工文件。当任意偏振态的入射光照射到超颖表面时，不同平面处的全息再现像能够呈现出不同的偏振信息，实现三维矢量全息图像的再现。矢量全息图像的再现。矢量全息图像的再现。

【技术实现步骤摘要】
基于超颖表面的三维矢量全息成像方法


[0001]本专利技术涉及一种全息成像方法，尤其涉及基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，属于微纳光学、衍射光学和全息成像应用


技术介绍

[0002]在三维空间内对出射光的振幅、相位以及偏振等物理量进行任意操控具有十分重要的研究价值。与传播过程相关的偏振特征能够为高维度结构光的产生提供新的设计自由度。通常情况下对于在自由空间中传播的光束(不受任何干扰)，它的偏振态一般不会随着光的传播而发生改变。利用双折射材料的光学活性，通过在光路中插入双折射材料的方式能够使光束偏振方向随着传播过程而不断旋转。然而，自然界中双折射材料的光学活性较低，为实现光束偏振方向从0
°
旋转到180
°
通常需要在光路中插入较大体积的双折射材料。为解决这一问题，研究人员提出了多种方法用于实现光场沿传播方向的偏振调控。例如，将锥透镜相位分布编码于空间光调制器中，基于对出射光束偏振和相位的同时调控，利用锥透镜生成贝塞尔光束时的横
‑
纵向映射关系，实现对不同传播距离处偏振态的控制。同时，针对出射光束中的正交偏振分量，通过引入与传播距离相关的振幅或相位变化，也能够实现光场沿传播方向的偏振调控。然而，此类方法当中存在着实验光路较为复杂，所用光学元件体积较大等缺点。限制了在小型化的光学系统当中实现沿传播方向的偏振调控。
[0003]随着微纳加工工艺的不断进步，超颖表面已展现出了强大的波前调控能力，能够以亚波长分辨率对出射光束的振幅、相位、偏振态等多个物理进行任意操控。在光束整形、超透镜、全息成像、非线性光学以及偏振态的产生和探测等领域已经得到了广泛的应用。利用超颖原子的各向异性，通过对平面内各个超颖原子的方位角进行精心设计，能够对出射光束横截面上每点的偏振方向进行操控，从而实现柱矢量光束、矢量涡旋光束以及庞加莱光束的产生。此外，超颖表面特有的亚波长像素分辨率的特点，使得利用超颖表面产生的全息再现像具有分辨率高、视场角大以及不存在多级衍射级次串扰等优点，弥补了传统基于空间光调制器实现全息成像的不足之处。同时，利用超颖表面也能够对所产生全息再现像的偏振信息进行操控，使得产生的全息再现像具有不均匀的偏振态分布特征。然而，此前基于超颖表面的矢量全息方法都是针对特定再现像平面内的偏振态分布进行操控。尚未有方案能够实现三维矢量全息图像的再现。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，将三维图像的全息图计算方法与琼斯矩阵方法相结合，生成矩阵形式的全息图，并对不同平面全息再现像的偏振响应进行操控，使得不同平面处的全息再现像具有不同的偏振信息，即本专利技术在保留三维全息成像功能的基础上，还能够实现沿z方向偏振维度的操控，从而实现三维矢量全息成像。
[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超颖表面的三维矢量全息成像方法，通过三维图像的全息图计算方法与琼斯矩阵方法相结合，即将对全息再现像偏振态的操控引入全息图计算过程中，沿z方向在不同再现像平面施加所需偏振响应限制，对三维全息再现像偏振态进行任意操控。利用矩阵极分解方法，在全息图平面根据反向传播所得电场分布生成酉矩阵形式的全息图用于实现三维矢量全息成像的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，将生成的酉矩阵形式的全息图编码于超颖表面当中，根据超颖表面每个单元纳米柱的尺寸和方位角生成相应介质超颖表面结构的加工文件。采用电子束刻蚀的微纳加工工艺加工透射型介质超颖表面。当任意偏振态的入射光照射到超颖表面时，不同平面处的全息再现像能够呈现出不同的偏振信息，从而实现三维矢量全息图像的再现。
[0007]本专利技术公开的基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：选择对比度满足预设标准要求的三维图像作为原图用于实现三维矢量全息成像。通过三维图像的全息图计算方法与琼斯矩阵方法相结合，即将对全息再现像偏振态的操控引入全息图计算过程中，沿z方向在不同再现像平面施加所需偏振响应限制，对三维全息再现像偏振态进行任意操控。利用矩阵极分解方法，在全息图平面根据反向传播所得电场分布生成酉矩阵形式的全息图
[0009]选择对比度满足预设标准要求的三维图像作为原图用于实现三维矢量全息成像。对所选择三维图像进行采样，将三维图像切分成N个互相平行的平面。对于第n个再现像平面(n＝1,2,3,
…
,N)，它的振幅和相位分布由A
n
和表示。同时，在不同再现像平面施加特定的偏振响应限制使得不同平面的全息再现像等效为具有特定偏振响应的偏振元件，所述偏振元件为具有任意透光轴方向的偏振片或任意快轴方向的波片。受限于单层超颖表面，偏振响应应为对称的2
×
2矩阵。此外，全息图平面与不同再现距离处的再现像平面之间的传播过程利用反向传播方法实现。所述反向传播方法基于如公式(1)所示的反向传播公式实现。
[0010][0011]公式(1)描述了不同再现像到全息图平面的传播过程。其中，表示反向传播方法。全息图平面与再现像平面的坐标分别由(x
h
,y
h
)和(x
o
,y
o
)所表示。利用矩阵极分解方法，将矩阵形式的复振幅分布分解成厄米特矩阵与酉矩阵乘积的形式。舍弃其中的厄米特矩阵部分，即得到酉矩阵形式的全息图
[0012]步骤一所述的三维图像的全息图计算方法包括菲涅尔算法、点源法、角谱法。
[0013]当三维图像的全息图计算方法选用菲涅尔算法或角谱法计算酉矩阵形式的全息图需利用正向和反向传播方法对全息图平面和再现像平面的电场分布进行迭代计
算，根据迭代计算得到的电场分布生成酉矩阵形式的全息图
[0014]所述正向传播方法基于如公式(2)所示的正向传播公式实现。
[0015][0016]其中，表示正向传播方法。基于菲涅尔算法和角谱法具体的正向公式如公式(3),(4)所示。
[0017][0018][0019]式中，表示第n个再现像平面矩阵形式的复振幅分布，λ为入射光的波长，k为入射光的波失，f
x
和f
y
为空间频率，z为传播距离。而F以及F
‑1表示着傅里叶变换与逆傅里叶变换。
[0020]步骤二：用于实现三维矢量全息成像的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，将步骤一生成的酉矩阵形式的全息图编码于超颖表面当中，根据超颖表面每个单元纳米柱的尺寸和方位角生成相应介质超颖表面结构的加工文件。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P。
[0021]用于实现三维矢量全息成像的超颖表面由具有矩形横本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：选择对比度满足预设标准要求的三维图像作为原图用于实现三维矢量全息成像；通过三维图像的全息图计算方法与琼斯矩阵方法相结合，即将对全息再现像偏振态的操控引入全息图计算过程中，沿z方向在不同再现像平面施加所需偏振响应限制，对三维全息再现像偏振态进行任意操控；利用矩阵极分解方法，在全息图平面根据反向传播所得电场分布生成酉矩阵形式的全息图步骤二：用于实现三维矢量全息成像的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成；通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，将步骤一生成的酉矩阵形式的全息图编码于超颖表面当中，根据超颖表面每个单元纳米柱的尺寸和方位角生成相应介质超颖表面结构的加工文件；所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P；步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，制备透射型介质超颖表面；通过对不同平面全息再现像的偏振响应进行操控，使得沿z方向不同平面处的全息再现像在任意偏振态的入射光照射下都能够呈现出不同的偏振信息，从而实现三维矢量全息成像。2.如权利要求1所述的基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，其特征在于：还包括步骤四：根据步骤一至步骤三实现三维矢量全息成像，在保留三维全息成像功能的基础上，还能够实现沿z方向偏振维度的操控；将所述三维矢量全息成像方法应用于光束整形、粒子操控、信息加密领域，解决相关工程技术问题。3.如权利要求2所述的基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，其特征在于：在光束整形领域，通过三维矢量全息成像方法能够对三维光场中任意一点的振幅、相位和偏振进行同时操控，有利于产生复杂三维结构光束；在粒子操控领域，通过三维矢量全息成像方法能够在三维空间中实现多个偏振可控焦点的产生，有利于在三维空间中对多个粒子进行同时操控；在信息加密领域，通过三维矢量全息成像方法能够实现具有复杂偏振特征的三维光场，能够将所需加密的信息存储于光场的偏振维度之中。4.如权利要求1、2或3所述的基于超颖表面的三维矢量全息成像方法，其特征在于：步骤一实现方法为，选择对比度满足预设标准要求的三维图像作为原图用于实现三维矢量全息成像；对所选择三维图像进行采样，将三维图像切分成N个互相平行的平面；对于第n个再现像平面(n＝1,2,3,
…
,N)，它的振幅和相位分布由A
n
和表示；同时，在不同再现像平面施加特定的偏振响应限制使得不同平面的全息再现像等效为具有特定偏振响应的偏振元件，所述偏振元件为具有任意透光轴方向的偏振片或任意快轴方向的波片；受限于单层超颖表面，偏振响应应为对称的2
×
2矩阵；此外，全息图平面与不同再现距离处的再现像平面之间的传播过程利用反向传播方法实现；所述反向传播方法基于如公式(1)所示的反向传播公式实现；
公式(1)描述了不同再现像到全息图平面的传播过程；其中，表示反向传播方法；全息图平面与再现像平面的坐标分别由(x
h
,y
h
)和(x
o
,y
o
)所表示；利用矩阵极分解方法，将矩阵形式的复振幅分布分解成厄米特矩阵与酉矩阵乘...

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