[發明專利]基于寬帶可見光納米超表面的雙向全息調制方法及應用

有效

• 申請號: 202110732897.7
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113406729B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 李仲陽;萬成偉;代塵杰;鄭國興;李子樂;萬帥;李哲;時陽陽
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;B82Y20/00;G03H1/00
• 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: 李煒

本發明公開了基于寬帶可見光納米超表面的雙向全息調制方法及應用。所述超表面是由多個單元結構周期性排列而成，單元結構包括基底和設置于其上的納米磚。該方法通過設計單元結構的尺寸參數以構建超表面，可實現寬帶可見光范圍內單層納米結構的雙向全息圖像顯示。單個納米磚在長寬上具有各自獨立的自由度，分別對兩種不同的線偏振光具有不同的響應，實現不同偏振下兩幅不同圖像的顯示。本發明結構尺度小易于集成，可以作為非互易信息處理、光學計量和加密/解密安全性增強防偽應用的器件。

技術領域

本發明涉及微納光學及光學全息領域，尤其涉及一種寬帶可見光范圍內單層納米結構的雙向全息方法及應用。

背景技術

傳統的基于幾何光學或衍射光學的光學器件由于結構尺寸和固有光學特性的限制，用于控制光束的轉向和分裂的方式相當有限。例如，通過色散衍射周期效應的閃耀光柵將不同頻率的光分裂成不同的衍射角度。由于納米加工技術的重大進展，超表面作為一類新型的平面光學元件已經創造了空前的任意操縱光學和光子學的可能性。廣泛的光學應用已被迅速證明，包括納米印刷，光束偏轉/分裂，超透鏡，全息和軌道角動量(OAM)束。本質上，獲得各種應用的內在原理在于對于光的頻率、相位、幅度和偏振態等進行控制。但是，光的另一個通用屬性，即波矢方向(k方向)尚未在多功能超表面中得到充分利用。傳統的超表面對于波矢量的正向和反向入射具有完全相同的光學透射和功能。對于單層超表面，由于幾何對稱性，對于雙向入射的透射光具有相同的響應。而打破這種對稱性在應用方面至關重要，例如光通信系統中的光隔離器，或用于保護大功率激光設備。因此，目前尚缺乏非互易超表面，以打破傳輸的對稱性，并創造一個新的自由度，即在正反向入射時產生不同的雙向功能。這種不對稱行為主要表現為僅表現出利用色散現象，可以對光波的頻率成分進行分析，例如分光計和光譜儀等。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種寬帶可見光范圍內單層納米結構的雙向全息調制方法。本發明提供的一種寬帶在可見光范圍內通過單層納米紋理雙向自由加密的Janus超表面結構。

本發明提供的技術方案如下：

本發明第一方面提供基于超表面的寬帶可見光范圍內單層納米結構的雙向全息圖像顯示方法，步驟如下：

(1)構建用于形成超表面的單元結構：其中，所述結構為兩層結構，兩層包括基底和設置于其上的納米磚；所述超表面由多個單元結構周期性排列于同一平面所構成；單元結構中納米磚具有獨立設置的尺寸參數；

(2)采用電磁仿真工具，設置工作波長對不同單元結構的尺寸進行掃描，得到不同線偏振光下納米磚尺寸與相位的關系；

(3)設計兩幅相位型全息圖案，將其相位信息轉化為兩個偏振光下的尺寸參數，排布單元結構以構建超表面；

(4)在超表面上覆蓋一層半波片膜，通過改變入射光的方向實現寬帶可見光范圍內單層納米結構的雙向全息顯示。

進一步，所述步驟(1)中納米磚和基底均為長方體結構；其中基底橫截面為正方形；單元結構的基底尺寸相同。

進一步，所述單元結構的基底由折射率低且透明光學材料構建，材料包括MgF₂、Al₂O₃、SiO₂，納米磚的材料包括TiO₂、Si、Ag、Au、Cu、Al。

進一步，所述步驟(1)、(2)中尺寸參數包括納米磚長L、寬W、高H和基底橫截面邊長P。

更進一步，以基底頂面的直角邊為x軸和y軸，頂點為原點，建立xoy直角坐標系，納米磚沿x軸尺寸為長L，沿y軸尺寸為寬W；x偏振光入射時，相位變化由L引起；y偏振光入射時，相位變化由W引起。