[發明專利]一種實現三維顯示的疊層超表面及其設計方法

有效

• 申請號: 202010040125.2
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111158076B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 李子樂;鄭國興;李仲陽;鄧聯貴;鄧娟;戴琦;付嬈
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30;G02B27/00;G02B30/25;G02B30/34
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 胡琦旖

1.一種實現三維顯示的疊層超表面，其特征在于，包括：基底層、第一納米磚陣列層、隔離層、第二納米磚陣列層；

所述基底層劃分為多個尺寸一致的單元結構，所述第一納米磚陣列層包括多個尺寸一致的第一納米磚，所述第二納米磚陣列層包括多個尺寸一致的第二納米磚，所述第二納米磚和所述第一納米磚的數量相同；每個所述單元結構的工作面上設有一個所述第一納米磚，一個所述第二納米磚與一個所述第一納米磚對應設置，所述隔離層用于將所述第一納米磚和所述第二納米磚隔離開；

圓偏振光入射至所述基底層，并依次通過所述第一納米磚陣列層、所述隔離層、所述第二納米磚陣列層后出射，生成第一目標全息圖像和第二目標全息圖像；

所述單元結構的工作面為正方形，所述第一納米磚、所述第二納米磚均為長方體形，所述單元結構、所述第一納米磚、所述第二納米磚均為亞波長級；以所述單元結構的兩直角邊為x軸和y軸；以所述第一納米磚的長邊為第一長軸，以所述第一納米磚的短邊為第一短軸；以所述第二納米磚的長邊為第二長軸，以所述第二納米磚的短邊為第二短軸；

所述第一納米磚對入射的所述圓偏振光的作用表示為：

式中，θ1為所述第一納米磚的轉向角，所述第一納米磚的轉向角為所述第一長軸與x軸的夾角；

所述圓偏振光經過所述第一納米磚后得到第一透射光、第二透射光，所述第一透射光、所述第二透射光的能量相等；所述第一透射光的相位調制量為0，所述第二透射光的相位調制量為2θ1；

所述第二納米磚對入射的所述第一透射光、所述第二透射光的作用表示為：

式中，θ2為所述第二納米磚的轉向角，所述第二納米磚的轉向角為所述第二長軸與x軸的夾角；

所述第二納米磚對所述第一透射光的相位調制量為2θ2，所述第二納米磚對所述第二透射光的相位調制量為-2θ2；

所述第一透射光經過所述第一納米磚、所述第二納米磚后的第一相位調制量為2θ2，所述第二透射光經過所述第一納米磚、所述第二納米磚后的第二相位調制量為2(θ1-θ2)。

2.根據權利要求1所述的實現三維顯示的疊層超表面，其特征在于，所述隔離層位于所述基底層和所述第二納米磚陣列層之間，并包覆所述第一納米磚陣列層。

3.根據權利要求1所述的實現三維顯示的疊層超表面，其特征在于，所述隔離層的厚度為入射的所述圓偏振光的半個波長。

4.根據權利要求1所述的實現三維顯示的疊層超表面，其特征在于，所述基底層和所述隔離層均采用熔融石英玻璃材料制成，所述第一納米磚和所述第二納米磚均采用硅材料制成。

5.根據權利要求1所述的實現三維顯示的疊層超表面，其特征在于，所述第一納米磚用于實現四分之一波片的功能，所述第二納米磚用于實現半波片的功能。

6.一種如權利要求1-5中任一所述的實現三維顯示的疊層超表面的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

以所述單元結構的兩邊為x軸和y軸建立xoy坐標系，選取入射的所述圓偏振光的工作波長，選取所述第一納米磚和所述第二納米磚的材料；

基于所述工作波長，基于所述第一納米磚和所述第二納米磚的材料，采用電磁仿真軟件建模仿真，在所述第一納米磚、所述第二納米磚的轉向角均為0時，以所述圓偏振光垂直于所述工作面入射，在所述工作波長下，掃描獲得所述單元結構、所述第一納米磚、所述第二納米磚的尺寸參數；

以人眼的左視圖為所述第一目標全息圖像，獲得第一相位調制量；以人眼的右視圖為所述第二目標全息圖像，獲得第二相位調制量；

根據所述第一相位調制量、所述第二相位調制量獲得所述第一納米磚的轉向角、所述第二納米磚的轉向角。

7.根據權利要求6所述的實現三維顯示的疊層超表面的設計方法，其特征在于，所述掃描獲得所述單元結構、所述第一納米磚、所述第二納米磚的尺寸參數包括：

以同向圓偏光透過率和反向圓偏光透過率相等作為優化對象，獲得所述單元結構的尺寸參數、所述第一納米磚的尺寸參數；

以同向圓偏光透過率低于第一預設透過率，反向圓偏光透過率高于第二預設透過率為優化對象，獲得所述第二納米磚的尺寸參數。