CN110456439B - 同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料及其设计方法，所述超表面材料由对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构交错排列而成的纳米单元阵列，相邻对红光响应的纳米单元结构和相邻对绿光响应的纳米单元结构的间隔均为
C为纳米单元结构的周期；所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构均等效为一个半波片。当入射光为线偏光时，在近场实现即调灰度又调颜色的彩色纳米印刷，当入射光为圆偏光时，在远场实现彩色相位型傅里叶全息，且两种图像显示方式相互独立，互不影响。本发明可应用于彩色显示、加密、防伪等领域，为实现新型的，高安全性的光学安全设备提供一种新的方法和途径。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及全息领域，尤其涉及一种同时彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料及其设计方法。
背景技术
光学安全设备是数据加密和文档认证的重要工具。传统的光学安全设备通过操纵光的振幅、相位、偏振态特性使其产生独特的光学响应，从而提供安全认证。例如，纳米印刷术和全息术是其中比较重要的两个原型光学安全设备。纳米印刷术通过调制光的振幅来实现彩色的或者灰度的印刷图像，该图像可以在放大镜下直接观测到或者借助显微镜观察。全息术是通过调制光的振幅、相位或者复振幅在远场再现高保真度的全息图，全息图通过使用激光器将图像投影到放置的屏幕上。这种两种相对简单的结构和行为很容易被模仿。
发明内容
为了增强设备的安全性，同时不引入额外的结构设计和加工复杂度，本发明设计提供一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料。本发明首次用简单的结构、巧妙的方法实现了彩色的纳米印刷术和彩色全息术的结合，其中本发明的彩色印刷术同时实现了颜色和灰度的调控。因此本发明可广泛用于彩色显示、信息存储、高端防伪、AR/VR显示等领域，具有很好的应用发展前景。
本发明目的之一在于提供一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料，结合马吕斯定律、数学函数
的非单调性、及PB相位原理(Pancharatnam-Berry)(纳米单元结构相位改变量是纳米单元结构转角的两倍)，所述超表面材料可同时在近场实现既调整灰度又调整颜色的彩色纳米印刷，在远场实现彩色相位型傅里叶全息图像，且两种显示图像互不影响，相互独立。本发明可应用于彩色显示、加密、高端防伪等领域，为实现新型的，高安全性的光学安全设备提供一种新的方法和途径。
本发明目的之二在于提供一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料的设计方法，巧妙的实现了彩色的纳米印刷术和彩色全息术的结合，可广泛用于彩色显示、信息存储方面。
本发明实现目的之一采用以下技术方案：
一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料，所述超表面材料由对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构交错排列而形成纳米单元阵列，相邻对红光响应的纳米单元结构和相邻对绿光响应的纳米单元结构的间隔均为
C为纳米单元结构的周期,其中，所述纳米单元结构是横截面为长方形或者椭圆形的非对称结构；
所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构均等效为一个半波片，所述对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构均具有窄带响应；
当红绿线偏光入射至所述超表面材料，再经过一个检偏器被调制的出射光，在近场形成彩色纳米印刷图案，其中，起偏器的起偏方向和检偏器的检偏方向相互垂直，当所述起偏器和检偏器的偏振方向均偏离设计值π/8或者3π/8时，近场的彩色纳米印刷图像实现一定的图像隐藏功能；当红绿入射圆偏光通过所述超表面材料，其反射光在远场形成一幅彩色全息图像；
其中，所述近场为超表面材料表面，所述远场为距离超表面材料30cm以外。
所述近场的彩色纳米印刷图像实现颜色调节和连续的灰度调节；
所述远场的彩色全息图像为4台阶的彩色相位型傅里叶全息图。
所述彩色纳米印刷图案和彩色全息图案中的彩色包含红色、绿色和由红色和绿色按照不同比例组成的其他颜色。
本发明所述超表面材料对红光和绿光分别具有窄带响应的纳米单元结构由透明介质基底层和纳米结构层构成，纳米单元结构长、宽、高均为亚波长尺度。
对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构的工作面均为C*C的正方形；对红光和绿光分别具有窄带响应的两种纳米单元结构的长宽均不相同、高度相同，对红光响应的纳米单元结构，其结构尺寸为长L1、宽W1和高H，对绿光响应的纳米单元结构，其结构尺寸为长L2、宽W2和高H；对红光响应的纳米单元结构和绿光响应的纳米单元结构沿着x轴与y轴方向交错排列，相邻对红光响应的纳米单元结构间隔为
相邻的对绿光纳米单元结构间隔为
结合马吕斯定律、数学函数
的非单调性，及PB相位原理，所述超表面材料实现近场(即超表面材料表面)高分辨彩色图像显示和远场(距离超表面材料30cm以外)的彩色高保真度全息图像再现。两种显示图像的图案互不相关，不能相互推断。
本发明实现目的之二采用以下技术方案：
一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料的设计方法，步骤如下：
(1)根据选定的入射光波长(可以分别针对两种或者以上主波长)，通过电磁仿真软件，以左旋或者右旋圆偏光垂直照射纳米单元结构时，带宽窄、串扰小、交叉偏振转化效率高为目标，优化出纳米单元结构的边长C、纳米单元结构的宽度W1、W2、W3…Wn，高度H和长度L1、L2、L3…Ln；
(2)根据入射线偏光依次经过纳米单元结构和检偏器后的出射光强公式
可知，由于纳米单元结构的转角θ的定义域[0,π]内是非单调的,因此当强度为I0的线偏光经过转角为
的四种纳米单元结构，再经过一个检偏方向与入射线偏光垂直的检偏器后，产生的出射光强均为
结合PB相位原理，当圆偏光经过转角为
的四种纳米单元结构，其出射的反向圆偏光附带
四种相位调控量，在保证近场连续强度调节的前提下，获取额外的相位调控自由度；
(3)基于上述原理，在设计具有N个纳米单元结构的超表面材料时，假设其中对红光响应的纳米单元结构N/2个，对绿光响应的纳米单元结构N/2个，首先根据近场的彩色图像的红色分量，计算出所有的4N/2种转角组合，再根据彩色图像的绿色分量计算另外的4N/2种转角组合，然后结合模拟退火优化算法，根据远场想要生成的彩色图案最终确定纳米单元结构的转角排布。
观察近场的彩色纳米印刷图案时，需要配置一个起偏器和一个检偏器，当红绿线偏光入射至所述超表面材料，再经过一个检偏器，被调制的出射光在超表面材料的结构表面(即近场)形成彩色纳米印刷图案，当红绿入射圆偏光通过所述超表面材料，其反射光在远场(距离超表面材料30cm以外)显示一幅彩色傅里叶全息图像。
所述方法构建所述出射光强与纳米单元结构转角之间新的映射关系，即呈现的一对四的映射关系，在保证近场颜色和灰度同时调控的前提下赋予新的相位设计自由度，以实现远场彩色的傅里叶相位型全息。
本发明的设计思路和方法不局限于超表面材料，其他遵循马吕斯定律的常规偏振装置也可以具有额外的相位操纵自由度。例如，液晶也可基于本发明的设计思路，形成集印刷术和全息术于一体的多功能器件。
与现有技术相比，本发明所设计的一种实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料具有以下优点和积极效果：
(1)本发明所设计的超表面材料，可是同时实现彩色纳米印刷和彩色全息两种完全不同的成像技术，且两种调控方式可分别独立控制，因此可以任意设计近场的彩色纳米印刷和远处的全息的图案。
(2)由于该超表面材料产生的近场图像和远场图案完全不相关性，无法从近场图像推断出远场图像，也无法从远场图案推断出近场，且图案是彩色的，因此可应用于彩色显示、加密、防伪等领域，为实现新型的，高安全性的光学安全设备提供一种新的方法和途径。
(3)本发明首次实现了同时调控连续灰度和颜色的纳米印刷。
(4)本发明所设计的超表面材料具有小型化，轻量级，可高度集成、易于加工等特性，适应于未来小型化、微型化的大规模发展。
(5)本发明的设计思路和方法不局限于超表面材料，其他遵循马吕斯定律的常规偏振装置也可以具有额外的相位操纵自由度。例如，液晶也可基于本发明的设计思路，形成集印刷术和全息术于一体的多功能器件。
(6)由于本发明的出射光强与纳米单元结构转角之间的一对多映射关系，当起偏器和检偏器的偏振方向都偏离设计值π/8或者3π/8时，近场的彩色纳米印刷图像被淹没在一堆噪声里面，从而实现了图像隐藏功能。
附图说明
图1是本发明实施例中银纳米砖示意图；
图2是本发明实施例中银纳米砖俯视图；
图3是本发明实施例中针对红光和绿光优化得到的银纳米砖波长响应图；
图4是本发明实施例中两种银纳米砖排列方式示意图；
图5是本发明实施例中得到的红光纳米印刷目标图；
图6是本发明实施例中得到的绿光纳米印刷目标图；
图7是本发明实施例中得到的红光全息目标图；
图8是本发明实施例中得到的绿光全息目标图；
图9是本发明实施例中能同时实现彩色纳米印刷和彩色全息的效果示意图；
图中，1-银纳米砖，2-介质基底层，L-银纳米砖长度，W-银纳米砖宽度，H-银纳米砖高度，C-银纳米砖单元大小，θ-银纳米砖转角。
具体实施方式
下面将结合附图具体说明本发明的实施方式和原理设计以及技术效果。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种实现彩色纳米印刷与彩色相位型傅里叶全息的超表面材料，该超表面材料由透明基底即刻蚀在基底表面的纳米单元阵列构成，纳米单元阵列包括多个纳米单元结构(本实施例中所述纳米单元结构即银纳米砖)，通过设计可以复合既调颜色又调灰度的彩色纳米印刷与彩色相位型全息两种功能。
作为实施例，首先选取红光和绿光窄带响应主波长628nm、528nm，然后分别针对两种主波长，采用电磁仿真软件CST对银纳米砖参数进行仿真，仿真以左旋(或者右旋)圆偏光垂直入射、以反射的右旋(或者左旋)圆偏光的转化效率及响应带宽作为优化对象。扫描银纳米砖长宽尺寸C、两种主波长下银纳米砖长度L1、L2、宽度W1、W2，银纳米砖高度H，以期获得最佳参数。要求每种银纳米砖仅对主波长附近窄带宽内波段响应，且交叉偏振(左旋→右旋，或右旋→左旋)转化效率最高。经优化计算，得到优化参数为：C＝380nm，红绿光对应的银纳米砖长宽高尺寸分别为：130nm-60nm-80nm(红光)、90nm-60nm-80nm(绿光)。图1是银纳米砖示意图。图2是银纳米砖俯视图。图3是两种优化得到的银纳米砖对偏振光转化效率随波长变化图，可以看出在对应的中心波长窄带范围内实现了交叉偏振的高效率转化，在中心波长窄带范围外对光波几乎不产生响应。
对于当强度为I0的偏振方向
的线偏光入射到转角为θ的银纳米砖和
方向的检偏器后，光强受到调制，调制方式符合以下公式：
I1＝I0cos2(2θ)
其中，θ为银纳米砖长轴与x线偏光偏振方向的夹角，I1为出射线偏光的光强，由此可知，可以通过改变θ的大小实现任意透射光强调制，从而实现纳米印刷。且入射光经过转角为θ、
的4种银纳米砖时，产生的出射光强均为I0cos22θ；当圆偏光经过转角为θ、
的4种银纳米砖时，其出射的反向圆偏光附带2θ，
π+2θ的相位改变量。
对红光响应的银纳米砖和对绿光响应的银纳米砖分别按照图4方式进行排布。相邻对红光响应的银纳米砖和对绿光响应的银纳米砖之间的间隔分别为
首先根据近场的彩色图案中的红色目标图像和绿色目标图像(图5、图6，目标图像像素个数均为N/2)，根据公式I1＝I0cos2(2θ)函数的非单调性，分别计算出其中所有的银纳米砖排布组合，也即是对红光响应的银纳米砖和绿光响应的银纳米砖分别有4N/2种排列组合。结合模拟退火算法，可利用额外的相位自由度，对红光响应的银纳米砖和对绿光响应的银纳米砖分别设计一个相位型全息图案，红光全息和绿光全息目标图如图7、图8所示。
因此当用波长为628nm和528nm的线偏光同时入射到所述同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料后，再经过一个检偏器，在超表面材料的表面会形成一个彩色的纳米印刷图案；当用波长为628nm和528nm的圆偏光同时入射到所述同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料后，再经过一个检偏器，在远场(距离超表面材料30cm以外)的光屏会观察到彩色的傅里叶全息图。
综上所述，该超表面材料可以通过光强调制和相位调制这两种互不影响的响应，同时实现彩色纳米印刷和彩色相位型傅里叶全息。在本实施方案中，以彩色鹦鹉图像作近场目标图像，以彩色花朵图像作为远场全息图像进行超表面材料设计，效果如图9所示。由于两种响应互不影响，产生的近场图像和远场图像也无相关性，所以无法从一个图像推断出另一个全息图像，因此可将该超表面材料应用于彩色显示、加密、防伪等领域。
在其他的实施方式中，可以根据需求，设定工作波长，设定纳米砖材料，设定彩色印刷图像和彩色相位型傅里叶全息图像。
Claims (3)
1.一种同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料，其特征在于:
所述超表面材料由对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构交错排列而形成纳米单元阵列，相邻对红光响应的纳米单元结构和相邻对绿光响应的纳米单元结构的间隔均为
C为纳米单元结构的周期,其中，所述纳米单元结构是横截面为长方形或者椭圆形的非对称结构；
所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构均等效为一个半波片，所述对红光响应的纳米单元结构和对绿光响应的纳米单元结构均具有窄带响应；
当红绿线偏光入射至所述超表面材料，再经过一个检偏器被调制的出射光，在近场形成彩色纳米印刷图案，其中，起偏器的起偏方向和检偏器的检偏方向相互垂直，当所述起偏器和检偏器的偏振方向均偏离设计值π/8或者3π/8时，近场的彩色纳米印刷图像实现一定的图像隐藏功能；当红绿入射圆偏光通过所述超表面材料，其反射光在远场形成一幅彩色全息图像；
其中，所述近场为超表面材料表面，所述远场为距离超表面材料30cm以外。
2.如权利要求1所述的同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料，其特征在于：
所述近场的彩色纳米印刷图像实现颜色调节和连续的灰度调节；
所述远场的彩色全息图像为4台阶的彩色相位型傅里叶全息图。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的同时实现彩色纳米印刷与彩色相位型全息的超表面材料的设计方法，其特征在于:包含以下步骤：
(1)根据选定的两种或两种以上的入射光波长，通过电磁仿真软件，以左旋或者右旋圆偏光垂直照射纳米单元结构时，带宽窄、串扰小、交叉偏振转化效率高为目标，优化出纳米单元结构的周期C、纳米单元结构的宽度W1、W2、W3…Wn，高度H和长度L1、L2、L3…Ln；
(2)根据入射线偏光依次经过纳米单元结构和检偏器后的出射光强公式
可知，由于纳米单元结构的转角θ的定义域[0,π]内是非单调的,因此当强度为I0的线偏光经过转角为
的四种纳米单元结构，再经过一个检偏方向与入射线偏光垂直的检偏器后，产生的出射光强均为
结合PB相位原理，当圆偏光经过转角为
的四种纳米单元结构，其出射的反向圆偏光附带
四种相位调控量，在保证近场连续强度调节的前提下，获取额外的相位调控自由度；θ为纳米单元结构的转角，α1为线偏光的偏振方向，I0为线偏光的强度；
(3)基于上述原理，在设计具有N个纳米单元结构的超表面材料时，假设其中对红光响应的纳米单元结构N/2个，对绿光响应的纳米单元结构N/2个，首先根据近场的彩色图像的红色分量，计算出所有的4N/2种转角组合，再根据彩色图像的绿色分量计算另外的4N/2种转角组合，然后结合模拟退火优化算法，根据远场想要生成的彩色图案最终确定纳米单元结构的转角排布。
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