[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

说明书

本发明属于微纳光学技术领域，公开了一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法。本发明选用圆偏振光作为入射光，利用出射的反向圆偏光所附加的几何相位只与纳米砖的转向角有关的性质，通过调节转向角即可调节几何相位，减小了所挑选的单元结构的数目，通过选取不同组类的单元结构来调节传输相位，避免了各个像素点选取单元结构相同时导致正交圆偏光入射所产生的全息图像不独立的问题。本发明提供的超表面器件结构紧凑，可以提供高信息密度存储，同时具有体积小、重量轻的优点，在防卫、加密、信息复用等方面有着极大的产业化前景。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法。

背景技术

目前对于相位型全息进行偏振复用设计有利用传输相位通过设计纳米单元结构的长短轴尺寸调节纳米单元结构对两个正交方向偏振光的附加相位；还有利用几何相位通过将纳米单元结构优化为半波片结构，通过改变其转角从而对入射正交圆偏光附加转角相关的相位。这两种方案的缺点分别在于利用传输相位的方法所需要挑选的结构较多，而利用几何相位的方法所涉及的目标图像不是相互独立的；这使得现有的偏振复用相位型全息方案设计和加工比较困难。

发明内容

针对现有方案的不足，利用计算全息术，本发明提出了一种实现独立全息图像复用的超表面器件及其构建方法，同时利用传输相位和几何相位，在减少挑选的单元结构数目的同时实现了复用目标图像的独立，降低了设计和加工难度，在加密、图像显示、信息复用等领域有着很好的发展前景。

本发明提供一种实现独立全息图像复用的超表面器件的构建方法，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。

优选的，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。

优选的，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。