[发明专利]全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法

说明书

本发明涉及一种全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，属于微纳光学技术领域。该方法使用具有不同光谱响应的非晶硅偶联极子天线和非晶硅纳米棒天线在超颖表面上的空间排布编码彩色印刷的目标图案，同时利用其面内方位角以像素为单元分别编码对应不同波长的超颖表面全息图的空间相位分布，将超颖表面彩色印刷技术与波长复用的超颖表面全息图集成到了一个单层的全介质超颖表面中。全介质超颖表面在白光照射下呈现为显微彩色图像，同时在特定的几个波长的相干单色激光照射下能够在远场分别再现出不同的全息再现像，具有极高的信息容量，且提供了一种隐藏秘密信息的方法，在数据存储，全息显示，信息加密和防伪等多个领域都具有很大潜力。

技术领域

本发明涉及一种超颖表面波前调制方法，尤其涉及一种全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法，属于微纳光学、结构色彩色印刷、全息显示、信息加密应用技术领域。

背景技术

超颖表面通常由亚波长尺寸的周期、准周期或随机排列的金属或介质纳米天线阵列构成，能够以亚波长尺度对光场的振幅与相位进行高分辨率调制，在数据存储，信息处理，光束整形，微纳全息，偏振控制等领域都具有很大的潜力。其中，将全息原理与超颖表面相结合的微纳全息术是一个前沿热点领域，该技术能够促进全息器件的微型化，增大信息容量，消除高阶衍射级次，增大视场角等。另一方面，光谱调制为设计超颖表面提供了另一个自由度。通常，超颖原子的几何形状、材料性质和空间排列都会影响超颖表面的光谱响应，使其光谱透射率和光谱反射率等光谱特性发生变化，以便实现所需的各种功能。在现有的光谱调制应用中，基于超颖表面光谱响应的彩色印刷具有很大的潜力，其亚波长的分辨率远远超越了当前的普通颜色显示技术的分辨率极限，且与普通染料和油墨相比具有无毒无污染、抗氧化等优点。

尽管目前超颖表面彩色印刷技术已经实现了偏振复用彩色印刷以及动态多色彩色印刷等功能，但目前报道的彩色印刷超颖表面通常不能重建全息图像，因为彩色印刷超颖表面无法编码相位分布或深度信息。同样的，超颖表面全息图也无法用来调制光谱响应，在非相干光的照射下通常呈现为随机的无特征的图案。为了充分利用超颖表面具有的优异的波前调控能力和极高的设计自由度，迫切需要一种能够通过单个超颖表面同时对波前的空间信息和光谱信息进行调制的方法，以便将微纳全息技术与超颖表面彩色印刷技术相结合，进一步提高超颖表面的信息容量。然而近年来，仅有很少的相关研究展示了同时实现彩色印刷和全息加密的可能性([1]Lim,K.T.P.,Liu,H.,Liu,Y.Yang,J.K.W.Holographiccolour prints for enhanced optical security by combined phase and amplitudecontrol[J].Nat.Commun.,2019,10(25).采用独特而复杂的像素设计，将介质相位片置于由介质柱阵列构成的结构色调制单元之下，与后者整合到一起组成该种超颖表面的基本调制单元。介质相位片通过引入光程差来调制透射光的相位，而光程差则取决于介质相位片的厚度及其折射率；另一方面，改变介质柱阵列的高度、直径和间距，即能够获得各种不同的结构色。显然，该种超颖表面由集成结构组成的基本调制单元设计和加工过程都相对复杂和低效。[2]Yoon,G.,Lee,D.,Nam,K.T.Rho,J.Crypto-Displayin Dual-Modemetasurfaces by simultaneous control of phase and spectral responses[J].ACSNano,2018,12:6421-6428.在彩色印刷模式下使用两种介质纳米天线调制出了不同的结构色，但未针对超颖表面全息图模式进行结构优化，导致两种介质纳米天线在超颖表面全息图模式下对应了同一个波长，仅能记录一幅全息再现像)，且这些已报道的方法或是存在着设计复杂、加工困难的缺陷，或是可控性不足，在实现超颖表面彩色印刷的同时仅能记录一幅全息再现像。

上述缺陷大大限制了这些方法的实际应用前景。目前，几乎没有加工简单，可控性强，可通过波长复用记录多层次的全息信息，同时调制光谱和空间信息的超颖表面被提出。

发明内容