[发明专利]同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料及其设计方法

说明书

本发明提供了一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料及其设计方法，所述超表面材料由对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构交错排列而成的纳米单元阵列，相邻对红光响应的纳米单元结构和相邻对绿光响应的纳米单元结构的间隔均为C为纳米单元结构的周期；所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构均等效为一个半波片。当入射光为线偏光时，在近场实现即调灰度又调颜色的彩色纳米印刷，当入射光为圆偏光时，在远场实现彩色相位型傅里叶全息，且两种图像显示方式相互独立，互不影响。本发明可应用于彩色显示、加密、防伪等领域，为实现新型的，高安全性的光学安全设备提供一种新的方法和途径。

技术领域

本发明涉及微纳光学及全息领域，尤其涉及一种同时彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料及其设计方法。

背景技术

光学安全设备是数据加密和文档认证的重要工具。传统的光学安全设备通过操纵光的振幅、相位、偏振态特性使其产生独特的光学响应，从而提供安全认证。例如，纳米印刷术和全息术是其中比较重要的两个原型光学安全设备。纳米印刷术通过调制光的振幅来实现彩色的或者灰度的印刷图像，该图像可以在放大镜下直接观测到或者借助显微镜观察。全息术是通过调制光的振幅、相位或者复振幅在远场再现高保真度的全息图，全息图通过使用激光器将图像投影到放置的屏幕上。这种两种相对简单的结构和行为很容易被模仿。

发明内容

为了增强设备的安全性，同时不引入额外的结构设计和加工复杂度，本发明设计提供一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料。本发明首次用简单的结构、巧妙的方法实现了彩色的纳米印刷术和彩色全息术的结合，其中本发明的彩色印刷术同时实现了颜色和灰度的调控。因此本发明可广泛用于彩色显示、信息存储、高端防伪、AR/VR显示等领域，具有很好的应用发展前景。

本发明目的之一在于提供一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料，结合马吕斯定律、数学函数的非单调性、及PB相位原理(Pancharatnam-Berry)(纳米单元结构相位改变量是纳米单元结构转角的两倍)，所述超表面材料可同时在近场实现既调整灰度又调整颜色的彩色纳米印刷，在远场实现彩色相位型傅里叶全息图像，且两种显示图像互不影响，相互独立。本发明可应用于彩色显示、加密、高端防伪等领域，为实现新型的，高安全性的光学安全设备提供一种新的方法和途径。

本发明目的之二在于提供一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料的设计方法，巧妙的实现了彩色的纳米印刷术和彩色全息术的结合，可广泛用于彩色显示、信息存储方面。

本发明实现目的之一采用以下技术方案：

一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料，所述超表面材料由对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构交错排列而形成纳米单元阵列，相邻对红光响应的纳米单元结构和相邻对绿光响应的纳米单元结构的间隔均为C为纳米单元结构的周期,其中，所述纳米单元结构是横截面为长方形或者椭圆形的非对称结构；

所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构均等效为一个半波片，所述对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构均具有窄带响应；

当红绿线偏光入射至所述超表面材料，再经过一个检偏器被调制的出射光，在近场形成彩色纳米印刷图案，其中，起偏器的起偏方向和检偏器的检偏方向相互垂直，当所述起偏器和检偏器的偏振方向均偏离设计值π/8或者3π/8时，近场的彩色纳米印刷图像实现一定的图像隐藏功能；当红绿入射圆偏光通过所述超表面材料，其反射光在远场形成一幅彩色全息图像；

其中，所述近场为超表面材料表面，所述远场为距离超表面材料30cm以外。

所述近场的彩色纳米印刷图像实现颜色调节和连续的灰度调节；

所述远场的彩色全息图像为4台阶的彩色相位型傅里叶全息图。