[发明专利]一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件

说明书

本发明涉及一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件，所述纳米微腔是指一种由金属层‑电介质层‑金属层构成的三层薄膜结构，方法包括：基于光谱的透射率与纳米微腔电介质层厚度的对应关系形成一种包含多个纳米微腔的纳米微腔阵列，使其中每个纳米微腔对一个选取中心波长的光谱呈高透射或在对选取中心波长的光谱呈高透射和对选取中心波长的光谱呈低透射之间为可选，且其中部分所述纳米微腔的电介质层具有至少两种可选的厚度以提供两种不同的反射相位；以不同中心波长的光谱在所述纳米微腔阵列的透射情况确定近场显示；运用优化算法计算所述纳米微腔阵列的相位分布并对根据所述相位分布计算远场全息。

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学薄膜技术，特别涉及一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件。

背景技术

目前，由亚波长尺度的金属层-电介质层-金属层构成的三层薄膜结构可以形成F-P干涉效应，在选用适当的材料和厚度的情况下形成的纳米微腔可以表现出很好的波长选择性，这种波长选择性表现为在固定上下层金属厚度时，通过改变电介质层的厚度可实现在可见光波段的不同中心波长的窄带透射，进而获得高饱和度的不同颜色的透射光，也可以设置底层金属较厚，从而对透射光部分实现全吸收，实现窄带吸收的功能。上述两种情况下都呈现出有一个或两个窄带谷的高反射光谱。这种由超薄的纳米微腔呈现的结构色可以被用于制造滤光片，纳米压印图像等，是超表面领域新兴成像方案的一种。

然而对这种三层薄膜结构的研究应用也被相应的局限在对光的振幅调制上，其对光的相位调制能力和相应的应用方向还鲜有探索。实现对光波相位精细地调控往往是通过设计超表面上不同的单元结构，如纳米棒、纳米孔等，对其几何相位、传输相位或相干相位等的相位响应进行调制，这种基于不同单元结构的相位调制结合计算全息技术就能够利用超表面呈现远场的全息图像，进一步将单元结构的光谱也考虑到设计中，可以利用不同尺寸的纳米棒或其组合实现不同的近场颜色，再利用纳米棒单元结构的不同自旋角度提供对于圆偏光的相位，从而利用超表面实现同时呈现近场图像和远场全息的效果。

但是超表面加工微结构较为复杂、对精度要求高，相应的制造成本也较高。同时，由于近场光谱与可实现远场全息的光谱范围高度一致，从而导致了近场光谱约束全息带宽的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法及元件，以解决相关技术中存在的技术问题。

一方面，提供了一种基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法，其特征在于，所述纳米微腔是指一种由金属层-电介质层-金属层构成的三层薄膜结构，所述基于纳米微腔实现近场显示与远场全息的方法包括步骤：基于光谱的透射率与纳米微腔电介质层厚度的对应关系形成一种包含多个纳米微腔的纳米微腔阵列，使其中每个纳米微腔对一个选取中心波长的光谱呈高透射或在对选取中心波长的光谱呈高透射和对选取中心波长的光谱呈低透射之间为可选，且其中部分所述纳米微腔的电介质层具有至少两种可选的厚度以提供两种不同的反射相位；以不同中心波长的光谱在所述纳米微腔阵列的透射情况确定近场显示并获得所述纳米微腔阵列中每个纳米微腔在近场显示中的分布情况；在所述近场显示下运用优化算法计算所述纳米微腔阵列的相位分布并对根据所述相位分布计算远场全息。

一些实施例中，还包括步骤：根据所述相位分布确定所述纳米微腔阵列中每个纳米微腔电介质层的厚度。

一些实施例中，基于光谱的透射率与纳米微腔电介质层厚度的对应关系形成一种包含多个纳米微腔的纳米微腔阵列，包括步骤：选取金属层的厚度以形成一个纳米微腔；基于所述一个纳米微腔进行光学建模以计算不同中心波长的光谱的透射率随所述一个纳米微腔中电介质层厚度变化的变化情况；基于所述变化情况选择一个或至少两个不同中心波长的光谱以使：当只选择一个中心波长的光谱时，使所述纳米微腔在对所选中心波长的光谱呈高透射和对所选中心波长的光谱呈低透射之间为可选；当选择至少两个不同中心波长的光谱时，使每个纳米微腔对一个所选中心波长的光谱呈现高透射。