【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超颖表面复用方法，尤其涉及基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，属于微纳光学、衍射光学和光场调控应用。
技术介绍
1、“全息术”自上世纪由丹尼斯·盖博提出，已经成为目前最有效的光场重建以及光束整形方法之一，并在诸多领域中得到了应用。然而，由于传统全息器件的大像素尺寸、小视场角以及空间带宽积受限等缺陷，其实用性受到了限制。超颖表面是一种由人工亚波长结构所组成的二维表面，通过精心编辑元原子可以操纵光的振幅、相位以及偏振等各种性质，展现出在塑造光波前等方面的巨大潜力。将超颖表面与全息术结合，促进了光束整形、光学显示以及信息存储等诸多应用的发展。
2、为了扩展超颖表面的信息存储能力及其多功能能力，提出了波长复用、偏振复用以及轨道角动量复用等多种复用方式。传统的超颖表面通常按照周期性排布的方式阵列元原子，比如正方形或六边形晶格，这些都是二维布拉维晶格的形式之一。目前对超颖表面的研究仅限于局部纳米结构的电磁响应，而忽略了对超颖表面阵列整体对称性的关注，作为超颖表面的基本特征之一的元原子的排列方式，在对其复用技术中的探索中还没有被利用。尽管已经有研究，采用超晶胞的方式，利用达曼光栅等原理，实现了对不同衍射级次的同时或者分别调控，但是本质上这些超颖表面仍是属于布拉维格子形式的。引入元原子的准周期性排布，可能会给超表面复用技术带来新的自由度。
3、由合金的衍射图案首次发现的准晶结构是一种介于周期与无序之间的结构，可以称为是准周期、长程有序的。准晶及其独特的衍射图案在化学、物理以及光学等领域引
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，通过将元原子的阵列方式由传统的周期性排布改为准周期性排布，使用改进的gerchberg-saxbon迭代算法计算得到准周期采样下的全息图并编码到准晶超颖表面的相位分布中，实现在预定位置处重建全息图像的同时，在远场呈现出准晶的独特衍射图案，即实现全息显示与衍射图案生成的双功能。本专利技术应用于全息显示、光开关、量子信息操纵以及多功能光学系统当中，解决相关工程技术问题。
2、本专利技术目的是通过下述技术方案实现的。
3、本专利技术公开的基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法。所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布的介质纳米柱阵列构成。本专利技术利用几何相位与传播相位的原理，结合改进的gs算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示与衍射图案生成的双功能。利用时域有限差分法fdtd与严格耦合波分析法rcwa对单元介质结构进行扫描，得到圆偏振光转化效率最高单元结构的几何尺寸以及不同横截面介质纳米柱的透射系数。根据计算得到的全息图以及纳米柱的阵列位置，确定纳米柱的旋转角或横截面尺寸，从而生成相应准晶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，加工透射型介质准晶超颖表面。在特定偏振态入射光照射下，全息图像在预定位置处重建，在远场产生准晶的独特衍射图案。
4、本专利技术公开的基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，在预定位置处重建全息图像的同时，在远场产生准晶的独特衍射图案，包括如下步骤：
5、基于准晶超颖表面实现在预定位置处重建全息图像的同时在远场产生准晶的衍射图案；所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布的介质纳米柱阵列构成；然后利用几何相位与传播相位原理，结合改进的gs算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示与衍射图案生成的双功能。
6、所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布介质纳米柱阵列构成的具体实现方法为：根据罗宾逊三角分解法，得到彭罗斯准周期排布方式；按照介质纳米柱位于彭罗斯菱形的顶点或中心处，分为顶点采样以及中心采样两种采样方式；通过将元原子的排布方式由周期性排布变为准周期性排布，在不影响准晶超颖表面全息显示功能的前提下，在远场产生准晶衍射图案。
7、利用几何相位与传播相位原理，结合改进的gs算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示与衍射图案生成的双功能的具体方法为：选择灰度图像作为预设全息成像面的振幅分布，采用gerchberg-saxton全息迭代算法并进行改进，使用改进后的gs算法计算准晶分布下的全息图，将全息图编码到准晶超颖表面元原子的局部偏振响应中；根据需要编码的全息图以及所施加的梯度相位，确定纳米柱单元的几何参数，从而生成相应的准晶超颖表面结构的加工文件；通过改变元原子的排布方式为准周期性排布，并在其局部电磁响应中编码全息图，实现在预定距离处重建全息图像的同时在远场产生准晶独特的衍射图案的双功能。
8、所述衍射图案是由具有五重旋转对称性的彭罗斯准周期分布所产生的具有十重旋转对称性的准晶衍射图案；准晶超颖表面的元原子排布方式为准周期性排布，旋转对称性不再局限于周期性排布的二重、三重、四重以及六重，而是具有准周期性排布的五重、八重以及十二重旋转对称性，从而产生对应的准晶衍射图案。
9、gs算法的改进方式为对gs算法中的二维快速傅里叶变换函数使用基尔霍夫衍射积分公式进行替代：
10、
11、其中a(ξ,η)和e(x,y)分别为物面与像面的复振幅分布，(ξ,η)与(x,y)分别为物平面与像平面坐标，复常数k＝1/(jλ)，λ为入射光波长，k为入射光波矢，r为物平面点(ξ,η)与像平面点(x,y)之间的距离；
12、改进后的gs算法具体步骤如下：首先，选择像平面初始复振幅分布其中|i0'(x,y)|为选择灰度图像的振幅分布，为[0,2π]范围内随机分布的函数；在第j次迭代时，对像平面复振幅分布ej(x,y)进行逆基尔霍夫衍射积分从而得到物平面的复振幅分布令振幅部分|ij(ξ,η)|＝1，由此可得到新的分布函数；之后对aj(ξ,η)再次进行基尔霍夫衍射积分，得到新的像平面复振幅分布令其振幅部分|ij+1'(x,y)|＝|i0'(x,y)|，如此便得到了经过一次迭代后的值，同时将ej+1(x,y)作为下一次迭代的初始分布；重复上述迭代过程，直到达到设定的最大迭代次数。
13、在确定纳米柱单元的几何参数的过程中，选取的最终结构应保证公式(2)的误差ε为所能达到的最小值，使得所设计的超颖表面能够重建出高质量的全息图像以及得到较好的零级抑制效果；
14、
15、其中txx与tyy分别为纳米柱的x和y线偏振透射复振幅系数，和分别为由改进的gs算法得到的x和y偏振通道的全息图相位分布。
16、为了保证所加工的准晶超颖表面每个单元内纳米柱的尺本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：基于准晶超颖表面实现在预定位置处重建全息图像的同时在远场产生准晶的衍射图案；所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布的介质纳米柱阵列构成；然后利用几何相位与传播相位原理，结合改进的GS算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示与衍射图案生成的双功能。
2.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布介质纳米柱阵列构成的具体实现方法为：根据罗宾逊三角分解法，得到彭罗斯准周期排布方式；按照介质纳米柱位于彭罗斯菱形的顶点或中心处，分为顶点采样以及中心采样两种采样方式；通过将元原子的排布方式由周期性排布变为准周期性排布，在不影响准晶超颖表面全息显示功能的前提下，在远场产生准晶衍射图案。
3.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：利用几何相位与传播相位原理，结合改进的GS算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示
4.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：所述衍射图案是由具有五重旋转对称性的彭罗斯准周期分布所产生的具有十重旋转对称性的准晶衍射图案；准晶超颖表面的元原子排布方式为准周期性排布，从而产生对应的准晶衍射图案。
5.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：
6.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：
7.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质准晶超颖表面，保证所加工的准晶超颖表面每个单元内纳米柱的尺寸与预设相符。
...【技术特征摘要】
1.基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：基于准晶超颖表面实现在预定位置处重建全息图像的同时在远场产生准晶的衍射图案；所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布的介质纳米柱阵列构成；然后利用几何相位与传播相位原理，结合改进的gs算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示与衍射图案生成的双功能。
2.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：所述准晶超颖表面由按照彭罗斯准周期排布介质纳米柱阵列构成的具体实现方法为：根据罗宾逊三角分解法，得到彭罗斯准周期排布方式；按照介质纳米柱位于彭罗斯菱形的顶点或中心处，分为顶点采样以及中心采样两种采样方式；通过将元原子的排布方式由周期性排布变为准周期性排布，在不影响准晶超颖表面全息显示功能的前提下，在远场产生准晶衍射图案。
3.如权利要求1所述基于准晶超颖表面的全息显示与衍射图案生成双功能方法，其特征在于：利用几何相位与传播相位原理，结合改进的gs算法生成全息图，将全息图信息编码到准周期排布纳米柱的局部相位响应中，实现全息显示与衍射图案生成的双功能的具体方法为：选择灰度图像作为预设全息成像面的振幅分布，采用g...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，徐弛，王涌天，赵睿哲，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：
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