[发明专利]基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法

说明书

本发明公开了一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法。该超表面彩色全息利用两个正交圆偏振通道处理彩色图像R、G、B三个基色成分，且针对各成分波长进行相应的色散补偿，解决了彩色全息图三基色成分的串扰问题，兼具角度复用方式和偏振复用方式的优点。在此基础上，通过对组成超表面的每个周期性纳米单元的相位调控实现了相位型计算全息片，在正入射条件下可在远场呈现一幅彩色全息图。本发明为超表面彩色全息术提供了一种新的方式，可应用于彩色全息显示等领域。

技术领域

本发明涉及微纳光学及彩色全息领域，具体涉及一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法。

背景技术

超表面材料具有在亚波长尺度范围内实现电磁波调控的能力，具有成像质量高、空间视场角大、能量利用率高等优势，是实现计算全息术的一种理想编码材料。随着技术的发展和加工工艺的进步，超表面全息术已由单一色彩的全息逐步向彩色全息发展。

实现彩色全息主要是通过不同的复用方式，将彩色图像的不同基色成分分成不同通道进行处理。目前采用较多的是空间复用方式，其将多个具有不同共振波长的纳米砖结构组合成一个超级像素，分别实现对彩色图片R、G、B成分的显示。但由于超级像素尺寸相较于纳米砖尺寸有所增加，会使得全息图的分辨率降低；另外，超级像素里面的纳米砖结构需要根据不同的响应波长进行单独设计，也使超表面的设计加工难度有所增加。在彩色全息显示中，如何消除各波长成分之间的串扰是其中的关键，通过角度复用的方式可以较为方便地获得信噪比较高的彩色全息图。在全息图的设计过程中，利用不同的入射角度为不同的波长成分加入不同频移，再现过程中则通过不同入射角度的复用，可以在指定区域将R、G、B三基色成分再次重合，实现彩色全息。这种设计方法只需采用单一纳米结构，从而能够较好地解决空间复用方法纳米砖结构多、制作加工难度大、图片分辨率低的问题；但是其对不同波长入射光的角度要求高，所以应用场景会受到一定限制。而偏振复用方式则可以较好地解决这一问题，它是利用不同的偏振通道处理不同的波长成分，由于不同偏振通道之间相互正交，因此同样可以避免不同成分之间的干扰。但是目前偏振复用方式多为双波长彩色全息，而对于三基色彩色全息则需要建立三个相互正交的偏振通道，因此显示系统的设计将会复杂很多，实现起来较为麻烦。

发明内容

基于此，本发明提出了一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法。所述超表面的纳米单元仅需采用单一结构尺寸，结合几何相位原理，通过对每个周期性纳米单元的相位调控实现了相位型计算全息超表面，在正入射条件下即可在远场呈现一幅彩色全息图。该超表面结构简单，易于加工。所述的彩色全息超表面设计方法采用大衍射角设计，仅通过两个正交圆偏振通道处理彩色图像R、G、B三个基色成分，且针对各成分对应的不同波长进行相应的衍射色散补偿，解决了彩色全息三基色成分之间的相互串扰问题。该方法同时具有角度复用方式和偏振复用方式的优点，为超表面彩色全息术提供了一种新的方式，具有广阔的应用发展前景。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供的一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：由透明基底与周期性纳米砖结构阵列组成；所述周期性纳米砖结构阵列沉积在透明基底上，且纳米砖结构相同(即透明基底上的所有纳米砖长、宽、高相同)，当圆偏振光入射时，反射光中的正交偏振成分会携带一个附加相位，其附加相位与纳米砖转向角相关；通过合理设计纳米砖转向角分布，能将超表面设计成为一个相位型计算全息片；

所述计算全息片将彩色图像的R、G、B三基色成分分为相互正交的右旋圆偏振(RCP)通道和左旋圆偏振(LCP)通道处理，并根据R、G、B成分对应波长的不同分别进行衍射色散补偿；当不同颜色的三束激光同时正入射在超表面上时，在远场特定区域R、G、B三基色成分能够再次重合，从而实现彩色全息。