[发明专利]一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法

权利要求书

1.一种实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建用于形成超表面器件的单元结构，所述单元结构包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；

步骤2、通过电磁仿真，优化设计得到功能等效为半波片的多个组类的单元结构，不同组类的单元结构中纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的单元结构中纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的单元结构在工作波长的圆偏振光入射下附加不同的传输相位；

步骤3、设计第一目标图像和第二目标图像，将每个所述单元结构作为一个像素点，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，对每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角进行选取；

步骤4、针对每个像素点，从多个组类的单元结构中挑选出附加的传输相位与目标图像的还原相位最接近的一个组类的单元结构进行排布，构建出能够实现独立全息图像复用的超表面器件；当左旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第一目标图像的全息图像；当右旋圆偏光入射至超表面器件时，在远场生成所述第二目标图像的全息图像；

其中，目标图像的还原相位通过下述方式得到：对目标图像进行畸变矫正和能量补偿，对校正后的目标图像不改变其振幅A，对其附加随机相位对新构造的光场函数进行逆傅里叶变换，得到新的图像的振幅A’和相位用单位振幅来替代新的图像的振幅A’，对新得到的全息面的透射光波进行傅里叶变换，还原得到第一次循环在输出面上的图像对第一次循环在输出面上的图像进行处理，保持得到的图像相位不变，用目标图像的振幅A来替代A_t，得到新的循环起始图像再将其代入迭代循环过程，若满足跳出循环的条件，则输出还原得到的相位图。

2.根据权利要求1所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述步骤3中，纳米砖的转向角与目标图像的还原相位之间的关系如下：

其中，θ表示纳米砖的转向角，表示第一目标图像的还原相位，表示第二目标图像的还原相位；

根据上述关系确定每个像素点对应的单元结构中纳米砖的转向角。

3.根据权利要求2所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述步骤4中，根据所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位，计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值；

将纳米砖对入射光在x方向的分量所附加的传输相位记为纳米砖对入射光在y方向的分量所附加的传输相位记为和表示为：

针对每个像素点，选择与计算得到的所需要的附加的传输相位的值最接近的一个组类的单元结构进行排布。

4.根据权利要求3所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，计算每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值之前，还包括：对所述第一目标图像的还原相位和所述第二目标图像的还原相位进行台阶化操作；

获得台阶化传输相位后，基于所述台阶化传输相位计算得到每个像素点对应的纳米砖所需要附加的传输相位的值。

5.根据权利要求1所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，所述步骤2中，优化设计多个组类的单元结构时，首先根据加工条件确定纳米砖的高度和相邻纳米砖中心点之间的距离，然后采用电磁仿真软件在工作波长下对纳米砖的长轴、短轴尺寸进行扫描，仿真获得沿x方向偏振光和沿y方向偏振光入射到不同尺寸的纳米砖对应的传输相位变化图、纳米砖对x方向偏振光和y方向偏振光的透过率示意图，以及纳米砖对反向圆偏光的转化效率示意图；最后根据扫描结果挑选出符合半波片功能、反向偏振转化效率高于60％、以及透过率高于50％的多个组类的单元结构。

6.根据权利要求5所述的实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，其特征在于，扫描时，使纳米砖的长轴与x轴平行，并使用周期性边界条件，扫描范围为50nm-300nm，步长10nm。