[發(fā)明專利]基于混合超穎表面的主動相位調制和全息加密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911148761.0
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN110703465B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發(fā)明（設計）人: 黃玲玲;王涌天;周宏強;魏群爍;李曉煒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01;G03H1/08;G03H1/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發(fā)明涉及基于混合超穎表面的主動相位調制和全息加密方法，屬于微納光學、全息加密領域。本發(fā)明所涉及的混合超穎表面由相變材料薄膜上的不同幾何尺寸的微小開口金屬環(huán)陣列構成。第一種構建方法分別在晶體態(tài)和非晶態(tài)下重建兩幅不同全息像。第二種構建方法是通過混合超穎表面在晶體態(tài)的相位干涉成像和非晶體態(tài)的全息成像實現(xiàn)。通過主動施加激勵，相變材料在晶體態(tài)和非晶態(tài)之間切換，混合超穎表面的折射率發(fā)生變化，結合開口金屬環(huán)的共振效應和幾何相位原理，實現(xiàn)主動相位調制，切換和隱藏圖像加密。相比逐點像素調制方法，具有整體調制和方便省時等優(yōu)點，能夠應用于全息加密、混合干涉成像，動態(tài)全息顯示、主動控制光學設備。

技術領域

本發(fā)明涉及基于混合超穎表面的主動相位調制和全息加密方法，尤其涉及基于相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)切換的相位調制方法。屬于微納光學，全息加密應用技術領域。

背景技術

超穎表面是一種二維人工平面器件，具有能夠實現(xiàn)超越天然材料的新穎特性，能夠在亞波長范圍內調制電磁波。自從其被發(fā)明以來，超穎表面就以其平板化、高分辨率、微型化的特性吸引了很多關注。隨著對其工作原理的探索以及微納設計和制造方法的發(fā)展，超穎表面在相位調制、振幅調制、偏振控制、軌道角動量轉換等方面表現(xiàn)出靈活性，其功能應用范圍在不斷擴大。特別地，超穎表面全息技術是一種將計算機生成全息圖與納米器件相結合的技術。超穎表面全息技術能夠克服傳統(tǒng)全息技術所面臨的系統(tǒng)龐大，分辨率低等問題，能夠極大地提高全息成像的分辨率，消除多重衍射級并擴大視場。目前超穎表面全息技術已經(jīng)提出了許多應用，包括實現(xiàn)彩色或多波長全息成像，3D投影，動態(tài)全息顯示和其他功能。

相變材料是一種具有可重構功能的材料，如碲銻化鍺Ge2Sb2Te5(GST)，二氧化釩(VO2)，硫化鑭(GLS)，在某些條件下具有獨特的可逆特性和非易失性。通過施加外部激勵，例如力，熱，超快飛秒脈沖，能夠極大地改變材料的物理特性，例如介電常數(shù)。相變材料處于不同的相變狀態(tài)時，例如晶體態(tài)、非晶態(tài)以及中間態(tài)，能夠對透射光的振幅和相位產(chǎn)生較大調制，具有很大的差異。通過將超穎表面與相變材料的可調特性相結合，這為實現(xiàn)有源超穎表面設備提供了靈活的平臺。相變材料在晶體態(tài)和非晶態(tài)之間的折射率參數(shù)差異很大，對光的傳輸有明顯的調制效果，并且易于快速進行狀態(tài)轉換。例如，許多研究學者已經(jīng)報道了通過將GST材料與超穎表面集成在一起，能夠調節(jié)焦距的可調諧超透鏡，基于共振V天線的可調諧波片，光偏振轉換和顏色/多波長選擇性衍射分量。但是，大多數(shù)這些主動可調式解決方案都是逐點調制的，耗時很長。

發(fā)明內容

本發(fā)明公開的基于混合超穎表面的主動相位調制和全息加密方法，將兩幅全息圖編碼到同一混合超穎表面，混合超穎表面的每一個混合超穎表面單元僅由在相變材料薄膜上的微小開口金屬環(huán)陣列構成。通過對混合超穎表面施加外部激勵，使每一個混合超穎表面單元產(chǎn)生或大或小的相位變化，重建出截然不同的兩幅全息圖像。

本發(fā)明提供了另一種混合超穎表面的構建方法，混合超穎表面在非晶態(tài)，在遠場重建出全息像，當外加激勵時，混合超穎表面轉換為晶體態(tài)，通過透射的同偏振光和正交偏振光干涉產(chǎn)生二值相位像。

本發(fā)明目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明公開的基于混合超穎表面的主動相位調制和全息加密方法，用于實現(xiàn)主動相位調制和全息加密的混合超穎表面是在相變材料薄膜上具有不同幾何尺寸的微小開口金屬環(huán)陣列構成。通過改變金屬開口環(huán)的幾何尺寸，使混合超穎表面對出射光束的相位進行任意地調控，出射光束的相位調制范圍覆蓋0～2π。通過施加外部激勵切換相變材料薄膜的狀態(tài)，能夠使出射光束的相位調制特性發(fā)生改變。根據(jù)計算機生成全息圖方法得到不同的相互獨立的原圖各自對應的全息圖，通過確定兩個相位圖同時對應該混合超穎表面在晶態(tài)和非晶態(tài)下的調控特性，確定開口金屬環(huán)的幾何尺寸，生成相應的加工文件。采用鍍膜和電子束刻蝕的微納加工工藝加工混合超穎表面。混合超穎表面只在偏振正交方向滿足對應的相位調制，通過對入射光束和出射光束偏振態(tài)的控制以及外部激勵的控制，實現(xiàn)混合相位干涉、全息圖像重建與隱藏、雙全息加密。