本发明涉及微纳光学及光学全息技术领域，尤其涉及一种可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法。
背景技术：
光学全息术是一种强大的工具，可以重建光的波前，实现信息存储与再现。但是传统的全息片对偏振态不敏感，无法对实现对存储信息的加密，且只能在透射或者反射空间再现全息图像，信息存储的容量有限。超表面可以在实现基本光学性质的基础上，通过相位、波长、空间频率以及偏振态等多维编码实现光学信息复用，因此基于超表面的全息术在光学显示和储存方面的前景非常广阔。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，所设计的超表面对于偏振态敏感，不同的偏振态可以解码出不同的全息图像，通过本发明还可以实现双通道全息复用，提高信息存储的容量，两个通道既可以单独使用，也可以同时使用，二者相互独立且互不影响。
为实现上述目的，本发明提供的可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)优化设计纳米砖单元结构。
确定工作波长λ和对x和y线偏振光产生的相位延迟量(0°～360°相位变化范围内)的量化等级nx和ny，量化后的x和y线偏振光对应的相位延迟量
优化共n＝nx×ny种纳米砖单元结构，对应n种相位量化对组合
(2)采用gerchberg-saxton算法得到超表面的两个相位分布矩阵。
超表面由m×n个上述优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成。选择两幅m×n个像素组成的灰度图像image1和image2作为反射和透射空间的目标全息图像，采用gerchberg-saxton算法分别优化得到一个超表面对于x和y线偏振光的两个相位分布矩阵φx和φy，φx和φy的元素一一对应。φx(m,n)和φy(m,n)分别表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于反射的x线偏振光和透射的y线偏振光的相位延迟量。
(3)将超表面的两个相位分布矩阵进行量化。
以相位分布矩阵φx中任意一个元素φx(m,n)量化为例，将φx(m,n)与步骤(1)中求出的纳米砖单元结构量化后的x线偏振光对应的相位延迟量
(4)纳米砖单元结构的排布方式。
联立相位量化分布矩阵φ1x和φ1y，构成超表面的相位量化对组合(φ1x,φ1y)，在步骤(1)中求出的纳米砖单元结构的相位量化对组合表中找到每一个元素对应的相位量化对组合
所述超表面的工作模式为透射式和反射式，但不限于此。
本发明可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其预期实现的功能是当x线偏振光正入射至超表面时，在反射空间产生一幅全息图像image1；当y线偏振光正入射至超表面时，在透射空间产生一幅全息图像image2；当45°线偏振光正入射至超表面时，在反射和透射空间同时产生上述两幅全息图像，最终实现透反双通道全息复用，两个通道既可以单独使用，也可以同时使用，二者相互独立且互不影响。
作为优选方案，所述纳米砖单元结构由基底和基底上的纳米砖构成；所述基底材料选用二氧化硅，纳米砖材料选用硅，但不限于此。
进一步地，所述步骤(1)中，所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度lx和ly、高度h和单元结构基底边长c。
更进一步地，所述步骤(1)中，当工作波长选用658nm时，高度h为320nm，边长c为400nm。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)可实现透反双通道全息复用的超表面具有尺寸小、重量轻、易集成、易于加工等优势；
(2)基于本发明的超表面透射、反射以及透反射模式均可工作，仅需改变入射光的偏振态即可实现工作模式切换；
(3)基于本发明的设计方法可以拓宽光学信息存储系统的容量和增强光学加密安全性，可广泛应用于光学信息存储、显示、加密、隐藏和防伪等研究领域。
附图说明
图1是本发明中纳米砖单元结构的示意图；
图2是本发明中可实现透反双通道全息复用的超表面的结构示意图；
图3是本发明实施例中选取的反射全息图像image1；
图4是本发明实施例中选取的透射全息图像image2；
图5是本发明实施例中x线偏振光的相位量化分布矩阵φ1x；
图6是本发明实施例中y线偏振光的相位量化分布矩阵φ1y；
图7是本发明实施例中实现反射通道的光路示意图；
图8是本发明实施例中实现透射通道的光路示意图；
图9是本发明实施例中同时实现反射和透射通道的光路示意图。
图中，1-纳米砖、2-基底。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
1、优化设计纳米砖单元结构。
下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。所述纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。
纳米砖单元结构由基底2和刻蚀在所述基底上的纳米砖1构成，如图1所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖1在x方向和y方向上的长度分别为lx和ly，z方向上的高度为h，基底在x方向和y方向上的边长均为c。
根据等效折射率理论，纳米砖单元结构相当于一个微型的波导，由于纳米砖沿x和y方向的长度不同，因此沿两个方向的等效折射率不同，将对电场方向分别沿x和y方向的线偏振光(简称x和y线偏振光)产生不同的相位延迟量，对两正交偏振的光束都能实现独立的相位调制，这就是纳米砖单元结构实现相位调制的基本原理。
确定工作波长λ和对x和y线偏振光产生的相位延迟量(0°～360°相位变化范围内)的量化等级nx和ny，量化后的x和y线偏振光对应的相位延迟量
为了能使x和y线偏振光的相位调制量均覆盖360°的相位变化范围，应优化共n＝nx×ny种纳米砖单元结构，对应n种相位量化对组合
表1n种纳米砖单元结构对应的相位量化对组合表
通过电磁仿真软件优化n种纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖1的长度lx和ly、高度h及单元结构基底2的边长c，使得工作波长下x和y线偏振光正入射至所述n种纳米砖单元结构时，x线偏振光的反射率和y线偏振光透过率相等，同时相位延迟量满足n种相位量化对组合。只需要选择合适的尺寸参数，纳米砖单元结构就能对两种正交线偏振光实现完全独立的相位调制，同时x线偏振光发生反射，y线偏振光发生透射，实现透反双通道复用，当电场方向与x轴夹角为45°的线偏振光(简称45°线偏振光)入射时，透反双通道同时工作。
2、超表面的设计方法。
(1)采用gerchberg-saxton算法得到超表面的两个相位分布矩阵。
超表面由m×n个上述优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成。选择两幅m×n个像素组成的灰度图像image1和image2作为反射和透射空间的目标全息图像，采用gerchberg-saxton算法分别优化得到一个超表面对于x和y线偏振光的两个相位分布矩阵φx和φy，φx和φy的元素一一对应。φx(m,n)和φy(m,n)分别表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于反射的x线偏振光和透射的y线偏振光的相位延迟量。
(2)将超表面的两个相位分布矩阵进行量化。
以相位分布矩阵φx中任意一个元素φx(m,n)量化为例，将φx(m,n)与公式(1)中求出的纳米砖单元结构量化后的x线偏振光对应的相位延迟量
(3)纳米砖单元结构的排布方式。
联立相位量化分布矩阵φ1x和φ1y，构成超表面的相位量化对组合(φ1x,φ1y)，在表1中找到每一个元素对应的相位量化对组合
其中，所述基底为二氧化硅基底，所述纳米砖单元结构为硅纳米砖，但不限于此。所述超表面的工作模式为透射式和反射式，但不限于此。
下面结合附图对本发明的方案作进一步说明：
本实施例可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其预期实现的功能是当x线偏振光正入射至超表面时，在反射空间产生一幅全息图像image1；当y线偏振光正入射至超表面时，在透射空间产生一幅全息图像image2；当45°线偏振光正入射至超表面时，在反射和透射空间同时产生上述两幅全息图像，最终实现透反双通道全息复用。
本实施例中，纳米单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的硅纳米砖构成，如图1所示。
具体设计步骤如下：
(1)优化设计纳米砖单元结构。
选取工作波长λ＝658nm和对x和y线偏振光产生的相位延迟量(0°～360°相位变化范围内)的量化等级nx＝4和ny＝4，量化后的x和y线偏振光对应的相位延迟量
为了能使x和y线偏振光的相位调制量均覆盖360°的相位变化范围，应优化共n＝4×4＝16种纳米砖单元结构，对应16种相位量化对组合
表216种纳米砖单元结构对应的相位量化对组合表
针对工作波长，通过电磁仿真软件cst对纳米砖单元结构尺寸参数进行扫描，得到优化后的单元结构基底边长为c＝400nm，高为h＝320nm，筛选出满足条件的16种纳米砖单元结构，硅纳米砖的长度lx和ly以及该结构参数下纳米砖单元结构分别对沿x和y线偏振光的反射和透射效率如表3所示，其中rx、ty分别代表x线偏振光的反射率和y线偏振光的透射率，
表3lx和ly对应的相位量化对组合及透反射率
由表3可知，上述16种纳米砖单元结构在保证x线偏振光的反射率和y线偏振光的透射率都比较高且基本相等，同时相位延迟量满足16种相位量化对组合。
(2)采用gerchberg-saxton算法得到超表面的两个相位分布矩阵。
超表面由500×500个优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成，如图2所示。选择两幅500×500个像素组成的灰度图像image1和image2作为反射和透射空间的目标全息图像，如图3和图4所示。采用gerchberg-saxton(gs)算法分别优化得到对应的两个相位分布矩阵φx和φy。
(3)将超表面的两个相位分布矩阵进行量化。
以相位分布矩阵φx中任意一个元素φx(m,n)量化为例，将φx(m,n)与公式(2)求出的纳米砖单元结构量化后的x线偏振光对应的相位延迟量
(4)纳米砖单元结构的排布方式。
联立相位量化分布矩阵φ1x和φ1y，构成超表面的相位量化对组合(φ1x,φ1y)，在表2中找到每一个元素对应的相位量化对组合
以超表面中第(m,n)个纳米砖单元结构为例，该位置处纳米砖单元结构对于反射的x线偏振光和透射的y线偏振光的相位延迟量分别为φ1x(m,n)和φ1y(m,n)，在中找到对应的相位量化对组合
当x线偏振光正入射至超表面时，在反射空间产生一幅全息图像image1，如图7所示；当y线偏振光正入射至超表面时，在透射空间产生一幅全息图像image2，如图8所示；当45°线偏振光正入射至超表面时，在反射和透射空间同时产生上述两幅全息图像，如图9所示，实现了透反双通道全息复用。
本实施例的设计方法至少包括如下技术效果：
该方法实现了透反双通道全息复用，提高了信息存储的容量，透射和反射两个通道既可以单独使用，也可以同时使用，二者相互独立且互不影响。本发明在光学信息的存储、显示、加密、防伪等领域有潜在的应用价值。
1.一种可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)优化设计纳米砖单元结构：
确定工作波长λ和对x和y线偏振光产生0°～360°相位变化范围内相位延迟量的量化等级nx和ny，量化后的x和y线偏振光对应的相位延迟量
优化共n＝nx×ny种纳米砖单元结构，对应n种相位量化对组合
2)采用gerchberg-saxton算法得到超表面的两个相位分布矩阵：
超表面由m×n个上述优化好的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列构成；选择两幅m×n个像素组成的灰度图像image1和image2作为反射和透射空间的目标全息图像，采用gerchberg-saxton算法分别优化得到一个超表面对于x和y线偏振光的两个相位分布矩阵φx和φy，φx和φy的元素一一对应；φx(m,n)和φy(m,n)分别表示超表面上第(m,n)个纳米砖单元结构对于反射的x线偏振光和透射的y线偏振光的相位延迟量；
3)将超表面的两个相位分布矩阵进行量化：
选取相位分布矩阵φx中任意一个元素φx(m,n)进行量化：
将φx(m,n)与步骤1)中求出的纳米砖单元结构量化后的x线偏振光对应的相位延迟量
4)纳米砖单元结构的排布方式：
联立相位量化分布矩阵φ1x和φ1y，构成超表面的相位量化对组合(φ1x,φ1y)，在步骤1)中求出的纳米砖单元结构的相位量化对组合表中找到每一个元素对应的相位量化对组合
5)当x线偏振光正入射至超表面时，在反射空间产生一幅全息图像image1；当y线偏振光正入射至超表面时，在透射空间产生一幅全息图像image2；当45°线偏振光正入射至超表面时，在反射和透射空间同时产生上述两幅全息图像，实现透反双通道全息复用，两个通道既可以单独使用，也可以同时使用，二者相互独立且互不影响。
2.根据权利要求1所述的可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其特征在于：所述纳米砖单元结构由基底(2)和基底(2)上的纳米砖(1)构成；所述基底(2)材料选用二氧化硅，纳米砖(1)材料选用硅。
3.根据权利要求1或2所述的可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纳米砖单元结构的尺寸参数如下：
所述纳米砖(1)在x方向和y方向上的长度分别为lx和ly，z方向上的高度为h；基底(2)在x方向和y方向上的边长均为c。
4.根据权利要求3所述的可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，当工作波长λ选用658nm时，高度h为320nm，边长c为400nm。
技术总结