[发明专利]基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置，包括：通过改变介质块的臂长和臂宽，优化超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合；在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并得到第一二维分布图；在第二预设区间内逐渐旋转超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并得到第二二维分布图；根据预设参数、旋转角、第一二维分布图和第二二维分布图得到复振幅分布，以根据得到的所有超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。该方法基于惠更斯原理设计的超表面，能广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，特别涉及一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置。

背景技术

全息显示通过重建物光波的波前信息来实现三维场景的真实重现。物光波的波前传播到全息成像平面时包含了振幅和相位的复振幅信息。目前人们还没发展出一种能同时记录振幅的相位的记录材料。因此将复振幅调制分解成振幅或是相位信息再进行调制是当前解决的办法。复振幅转化的振幅或相位信息被加载到DMD(Digital MicromirrorDevice，数字微镜器件)或LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶器件)上，再利用对应的波长入射到该类器件上即可实现全息图像的再现。这类调制器件虽然已经被广泛使用，但重建的全息图像还存在比较多的问题。如存在直流分量，散斑噪声大，图像分辨率不高，三维图像的观察视角很小等。事实上，直接对复振幅进行调制有助于抑制直流分量，噪声和共扼像，获得高衍射效率的三维显示。同时，尽量降低调制器件的像素尺寸，能获得大的观察视角。

相关技术中，一种采用液晶器件实现复振幅调制的办法，该方法虽然实现了复振幅调制，但所采用的液晶器件的像素尺寸还比较大，不能提升观察视角。随着空间光调制器的发展，基于多片LCoS的复振幅调制方法被提出，比如，全息光镊中高效的控制振幅和相位，但该方法要求各片LCoS之间实现像素级对准，这是很难做到的。此外，利用单片LCoS的三四个相邻像素单元构成超像素，每个超像素调制一个复振幅，也是一种复振幅调制的方法，但该方式则牺牲了分辨率。一种非迭代复振幅调制全息投影方法将复振幅光场各个像素的光矢量分解为两个纯相位值，利用棋盘格图样进行采样合成，再加上倾斜平面波因子进行编码。该方法实现了用单个相位空间光调制器编码表示复振幅。但该方法也受限于空间光调制器的像素大小，不能实现高分辨率的全息图重建。总之，这些方法都存在不足。

超表面由亚波长尺寸的微天线阵列构成。它能实现任意的波前调制，包括对振幅、相位和偏振的调控。基于超表面的器件和应用研究已经涉及诸多方面，包括平面超透镜、超材料波带片、分束器、可调控表面等离激元分束器,以及高分辨率三维全息成像等。与传统的空间光调制器类似，超表面通过排列不同的调制单元实现对入射光的调制。超表面的亚波长像素尺寸使得高分辨率和大观察角度的全息重现变得非常容易。复振幅调控要求振幅和相位能独立调控，至少需要同时在一个调制单元上引入两个参数来满足调制要求，因此设计一个合适的复振幅调控超表面也不容易。目前一些工作利用纳米棒、开口环实现了对全息图的复振幅编码。

相关技术中，一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法中提到了，通过改变纳米矩形柱结构和旋转结构来实现复振幅调控的方法，但这些工作种提到的器件都存在问题，有的偏振转换效率不高，有的因为振幅或相位随参数的变化并非线性而导致了加工误差会带来很大影响。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，该方法基于惠更斯原理设计的超表面，超表面单元的厚度相比传统超表面大大降低，更有利于大面积批量加工，且可以广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。

本发明的另一个目的在于提出一种基于惠更斯超表面的复振幅调制装置。