[发明专利]可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法

说明书

本发明公开了一种可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法，该超表面由透明基底和刻蚀在透明基底上的纳米砖阵列构成，能够在透射和反射空间分别产生两幅全息图像，实现双通道全息复用，提高了信息存储的容量，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。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。

技术领域

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。

发明内容

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n_x和n_y，量化后的x和y线偏振光对应的相位延迟量和分别表示为

优化共N＝n_x×n_y种纳米砖单元结构，对应N种相位量化对组合构成纳米砖单元结构的相位量化对组合表，每一种纳米砖单元结构对应唯一的相位量化对组合。通过电磁仿真软件优化N种纳米砖单元结构的尺寸参数，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。

(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Φ_x和Φ_y，Φ_x和Φ_y的元素一一对应。Φ_x(m,n)和Φ_y(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Φ_x中任意一个元素Φ_x(m,n)量化为例，将Φ_x(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逐一进行比较，若当i＝t时，满足则将该位置处的相位延迟量Φ_x(m,n)替换为对相位分布矩阵Φ_x中的每一个元素依次进行上述操作后，构成x线偏振光的相位量化分布矩阵Φ_1x。同理，将Φ_y中的每一个元素与逐一进行比较和替换，构成y线偏振光的相位量化分布矩阵Φ_1y。

(4)纳米砖单元结构的排布方式。