[发明专利]基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法

说明书

本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法，属于微纳光学和全息技术领域。本发明实现方法为：首先精确的设计超颖表面单元结构，超颖表面是由Ω型金纳米天线组成，通过改变Ω型金纳米天线的旋转角，使得超颖表面对出射光束的相位进行任意地调控；采用时域有限差分法(FDTD)计算原始曲面和实现曲面全息的相位分布共形超颖表面的相位分布等于两者的相位差基于贝里相位原理，根据所得相位分布用相同结构尺寸不同旋转角的Ω型金纳米天线对于相位进行编码，从而实现曲面全息的效果。基于Ω型共形超颖表面实现相应的波前调制，应用于任意形状的光电器件。本发明能够用于全息图像的空间复用，提高信息的存储容量。

技术领域

本发明涉及基于Ω型共形超颖表面对于任意曲面物体的波前进行调制而实 现曲面全息的方法，属于微纳光学和全息技术领域。

背景技术

超颖表面是由周期性、准周期性或随机分布的亚波长纳米天线组成，局部的 修改电磁波的振幅、相位和偏振。通过精确的设计阵列中每个超颖表面单元的几 何参数和方位角,使得超颖表面对于入射光的波前进行调制，从而实现一些特定 的功能。此外，与许多传统光学元件相比，超颖表面具有亚波长特征尺寸，因此 具有超薄、柔性和易于制造等优点。由于超颖表面独特的光学特性，已经取得了 广泛的应用，如透镜聚焦成像、超薄高分辨率全息图、光束整形等。

目前的研究主要集中于设计基于平面基底的超颖表面。为了开发多功能可 穿戴电子产品和具有高度灵活性、任意形状可扩展性的组件，超颖表面的设计方 法和纳米制造工艺都面临着各种挑战。因此，共形超颖表面由于其超薄的特点和 强大的功能，成为曲面基底下对于入射光波前调制的理想候选者。入射光通过任 意曲面物体表面和共形超颖表面时，共形超颖表面可以补偿原始任意曲面物体 引入的随机相移，从而能够取代传统光学元件，实现各种实际应用，例如柔性显 示电子产品、高速飞行器上的传感器等。对于这种共形超颖表面，所提出的设计 原则包括场等效原理、广义边界条件等。然而，在光学范围内，这些设计理论是 非常复杂的，对于这种共形超颖表面的加工也存在着一定的挑战。我们通过时域 有限差分(FDTD)的方法，基于Ω型共形超颖表面对于任意曲面物体的波前进行 调制而实现了曲面全息的功能。

发明内容

本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法要解决的技术 问题为：共形超颖表面是由不同旋转角的Ω型金纳米天线组成，对于任意的曲 面物体，在透射方向上进行波前调制，实现曲面全息，并且具有如下优点：(1) 基于贝里相位原理实现曲面全息；(2)超颖表面对于入射光的偏振敏感，圆偏振 光入射到共形超颖表面，出射光束变成相反旋向的圆偏振光。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法：首先精确的设 计超颖表面单元结构，超颖表面是由Ω型金纳米天线组成，通过改变Ω型金纳 米天线的旋转角，使得超颖表面对出射光束的相位进行任意地调控；采用时域有 限差分法(FDTD)计算原始曲面和实现曲面全息的相位分布共形超颖 表面的相位分布等于两者的相位差基于贝里相位原理，根据所得相位分布 用相同结构尺寸不同旋转角的Ω型金纳米天线对于相位进行编码，从而实 现曲面全息的效果。基于Ω型共形超颖表面实现相应的波前调制，应用于任意 形状的光电器件。

本发明基于Ω型共形超颖表面实现曲面全息的方法，包括如下步骤：

步骤一：设计超颖表面单元结构。

超颖表面是由具有相同结构尺寸的Ω型金纳米天线阵列构成。通过改变单 个Ω型金纳米天线的旋转角使超颖表面对出射光束的相位、振幅和偏振进 行任意地调控。所述的几何尺寸包括单个Ω型天线内外半径r₁、r₂，宽度w，高 度h，旋转角以及超颖表面单元的周期P。

步骤二：计算单个曲面及实现曲面全息功能的相位分布。

根据贝里相位原理，沿z方向传播的琼斯矢量为的正入射光束。输出场 的矢量表示如下：