[发明专利]基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法

说明书

本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，属于微纳光学、全息显示、偏振光学应用技术领域。利用级联的金属L形纳米天线与金属偶联极子天线作为基础结构单元，打破了光波传播方向上的空间对称性，在获得了非互易的非对称传输特性的同时实现了全范围的相位调制，可以将计算机生成全息图对应的相位信息编码到该超颖表面光学系统中，使再现像只能在特定的偏振状态和入射方向对应的加密通道中被观察到，实现了非互易性非对称传输的偏振加密。据此，可实现对图像的偏振加密，应用于全息显示，信息加密等领域。本发明提供了一种红外波段的亚波长像素、具有非互易性非对称性质的、可偏振加密的全息显示方法。

技术领域

本发明涉及一种非互易性的波前调制方法，尤其涉及一种基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，属于微纳光学、全息显示、偏振光学应用技术领域。

背景技术

超颖表面通常是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，其波前调控机制并不依赖光的传播过程，而是精心设计每个单元结构，利用其对入射光场的强烈响应来改变局部光场的振幅和相位，以亚波长尺度对光场的振幅与相位进行高分辨率调制，进而实现对近场与远场的调控，产生特殊的光学效应。因此，超颖表面在裁剪并调控光学特性时具有极高的自由度，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，把全息图中复杂的振幅和相位分布用二维排布的亚波长结构进行编码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。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，各种不同几何形状和材料的超颖原子被设计出来作为超颖表面的基本组成单元，且基于超颖表面实现全息显示的各类方案，如偏振复用全息图、纯反射全息图、矢量全息显示等也被陆续提出。另一方面，由于超颖表面具有强烈的光-物质相互作用这一重要特征，且能够通过适当设计的各向异性的谐振超颖原子或纳米天线来引入强烈的双折射现象，使得其在偏振光学中也具有广阔的前景。

然而，作为一种二维平面结构，超颖表面在光波传播方向上的非对称性较低，通常遵循互易性定理，因此，在超颖表面光学系统中，背向传播时的透射率往往是与正向相同的。破坏沿传播方向的对称性对于通信系统中的很多光子学器件来说是必不可少的，对于保护激光系统免遭背向反射的破坏等其他许多领域也非常重要。传统的非互易性器件，即光学隔离器，是使用磁化材料，基于法拉第旋光效应进行工作的，但在现代集成光学中，这些磁化材料由于其过大的尺寸而受到了阻碍。近年来，为了提高偏振转换效率或实现特定偏振状态下的非对称传输特性，多层的级联超颖表面系统被提了出来([1]Ji R,Wang S W,Liu X,et al.Giant and broadband circular asymmetric transmission based on twocascading polarization conversion cavities[J].Nanoscale,2016,8(15):8189-8194.[2]Zhao Y,Belkin M A,Alù A.Twisted optical metamaterials for planarizedultrathin broadband circular polarizers[J].Nature communications,2012,3:870.[3]Pfeiffer C,Zhang C,Ray V,et al.High performance bianisotropicmetasurfaces:asymmetric transmission of light[J].Physical review letters,2014,113(2):023902.)。但已报道的多层超颖表面通常仅使用唯一的一种基本组成单元，通过周期性的重复排布这一基本组成单元来覆盖整个超颖表面；或者仅考虑偏振转换效率以及非对称传输性能的提高，不关心出射光波的相位调制情况。这使得这些多层超颖表面仅能实现透过率、反射率或吸收率的非对称传输，但无法同时调制出所需的相位分布，大大限制了这些多层超颖表面的实际应用前景。目前，几乎没有关于非互易性非对称传输的相位调制的研究。

发明内容