【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳光学及荧光辐射，具体涉及一种可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面及设计方法。
技术介绍
1、光致荧光(photoluminescence，pl)是冷发光的一种，指的是物质吸收光子后重新辐射出光子的过程。荧光材料如量子点、钙钛矿、稀土掺杂材料等，在泵浦光照射下会发出荧光，即光致发光现象。光致荧光已被广泛应用于日常生活中，例如照明设备日光灯，显示设备投影仪等。近年来，新一代智能显示设备(ar/vr)的快速发展对微型化的发光设备提出了更复杂的要求。作为微纳光学的前沿热点，超构表面能够通过设计单元结构的排布来实现亚波长尺度下的光波操控，提供了一个可行性的路径来实现更复杂的功能，因此用超构表面来设计发光设备成为了新的研究重点。如通过空间排布不同尺寸的氮化镓纳米柱来提供相位调制，超构表面器件能成功地将波导模式的荧光定向耦出，实现了单向荧光辐射(iyer p p，decrescent r a，mohtashami y，et al.unidirectional luminescence fromingan/gan quantum-well metasurfaces[j].nature photonics，2020，14(9):543-548.)。更进一步，利用图案化的微纳结构，也可以实现荧光的纳米打印显示(liu，h.etal.tunable resonator-upconverted emission(true)color printing andapplications in optical security.adv.
技术实现思路
1、针对现有技术中的不足，本专利技术提供了一种可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面的。该器件通过微纳加工出超构表面结构，同时控制辐射的光致荧光与散射的泵浦光的角度。同时，该器件在特定的观察角度范围内，能够实现荧光与泵浦光完全不同的纳米打印显示图像。
2、本专利技术提供的一种基于光波导的超构表面，由基底层、光波导层、微纳结构层和量子点发光材料层共同构成；其结构从上到下依次是：量子点发光材料层，微纳结构层，光波导层，基底层；
3、所述量子点材料为cdse/zns量子点；所述微纳结构层为硅的纳米砖，厚度为300-400纳米；
4、所述微纳结构层通过电子束曝光、热蒸发、反应离子刻蚀技术制备；
5、所述光波导层为氮化硅光波导，厚度为180-230纳米；
6、所述超构表面能将光致荧光单向辐射到特定角度，同时将散射的泵浦光定向到相应级次；
7、所述超构表面，在特定的角度范围内观察，能够实现荧光与泵浦光不同的纳米显示图像；
8、进一步的，所述光波导材料、微纳结构材料和量子点材料可以根据需求选择材料替换。
9、本专利技术的技术原理及研究过程如下：
10、本专利技术提供的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面的应用为：所述超构表面在泵浦光照射激发下，量子点材料层将发出光致荧光，大部分的荧光将以波导模式在光波导层内进行传播，微纳结构层所产生的相位调制能将光波导内的荧光单向耦合到自由空间的特定角度，形成单向辐射(kpl＝2π/λplsin(θpl)＝-kpl+2mπ/p＝-2π/λplnneff+2mπ/p)；与此同时，微纳结构层也会将剩余的泵浦光散射到特定的衍射级次(kscatter＝2π/λscattersin(θscatter)＝-kin+2mπ/p＝-2π/λscattersin(θin)+2mπ/p；其中，kscatter、kpl、kin、kpl-guide分别表示散射光的出射动量、荧光的出射动量、入射泵浦光的动量、波导内传播的荧光的动量，λscatter、λpl分别表示散射光和荧光的波长，θscatter、θpl、θin分别表示散射光的出射角度、荧光的出射角度、入射泵浦光的角度，m代表级次数，nneff代表光波导传输的等效折射率，p代表微纳结构层中微纳单元结构的周期，其中λscatter、λpl、nneff由材料特性决定，θin、m、θview在设计时根据所需显示形状的要求来人为设定，其他参量根据公式计算选取特定值)。
11、通过设计超构表面微纳结构层的尺寸参数，能够对荧光与泵浦光的出射角度进行编码，在特定的角度范围(θview)下，能够观察到不同的荧光与泵浦光的纳米打印图像：观察到高强度的散射光与荧光的结构需满足kscatterλscatter/(2π)丨≤θview和kplλpl/(2π)丨≤θview，观察到低强度的散射光与荧光的结构满足kscatterλscatter/(2π)丨＞θview和kplλpl/(2π)丨＞θview：根据对应关系对观察到的散射光与荧光强度进行编码设计，从而确定微纳结构层的尺寸参数。
12、本专利技术所要解决的具体问题是：当前器件一般只将荧光形成一幅图像，散射的泵浦光浪费掉了，这里使得散射的泵浦光也能具有一定的功能。其核心创新点为：1)通过简单结构实现了荧光的定向出射与增强；2)同时编码控制出射的荧光与散射的泵浦光；3)纳米打印显现与加密的应用。
13、和目前大多数仅具有荧光功能的荧光辐射器件相比，本专利技术所涉及的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面具有如下优点和有益效果：
14、1、该超构表面能够对光致荧光与泵浦光进行独立编码，使它们分别完成不同的功能，拓展了该器件满足复杂光功能的能力。
15、2、在特定的观察角度范围内，实现了荧光纳米打印图像与泵浦光打印图像的编码复用，为光辐射器件的超构显示功能提供了新的范例。
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1.一种可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述超构表面的结构从上到下依次由量子点发光材料层、微纳结构层、光波导层和基底层共同构成；
2.根据权利要求1所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述微纳结构层通过电子束曝光、热蒸发、反应离子刻蚀技术制备得到。
3.根据权利要求2所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述基底层为熔融石英基底。
5.根据权利要求4所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述量子点发光材料层的量子点材料为CdSe/ZnS量子点、碳量子或钙钛矿量子点中任一种。
6.根据权利要求5所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：在所设定的观察角范围观察，散射泵浦光会形成一幅纳米打印图像，同时出射的荧光会形成不同的另一幅图像。
8
9.根据权利要求8所述可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，所使用量子点为CdSe/ZnS量子点、碳量子或钙钛矿量子点中任一种，所述溶剂为正辛烷。
10.根据权利要求9所述可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面的设计方法，其特征在于：所述量子点溶液浓度为5mg/mL。
...【技术特征摘要】
1.一种可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述超构表面的结构从上到下依次由量子点发光材料层、微纳结构层、光波导层和基底层共同构成；
2.根据权利要求1所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述微纳结构层通过电子束曝光、热蒸发、反应离子刻蚀技术制备得到。
3.根据权利要求2所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述基底层为熔融石英基底。
5.根据权利要求4所述的可实现光致荧光与泵浦光复用显示的超构表面，其特征在于：所述量子点发光材料层的量子点材料为cdse/zns量子点、碳量子或钙钛矿量子点中任一种。
6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：李仲阳，万帅，代尘杰，时阳阳，李哲，王泽静，唐娇，刘阳，胡婉林，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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