CN115202175B - 基于光场编码的超薄超表面结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于光场编码的超薄超表面结构及其制备方法，包括以下步骤：设置期望的物光光场，生成对应物光光场的相位掩膜版；设置参考光，计算物光光场与参考光的干涉图样；对干涉图样进行二元编码，得到包含物体光相位及振幅信息的二元掩膜表达式；利用二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到二元全息掩模板；以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构中，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构。本发明利用特殊编码的纯振幅掩模板并结合全局调控手段，将目标光场的整体相位和幅度编码到厚度可忽略不计的超薄超表面结构中，实现对目标光场的高质量再现。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体地说是一种基于光场编码的超薄超表面结构及其制备方法。
背景技术
全息技术是用于实现光场记录与重现的技术，在目前的全息技术中，普遍采用的方法是使用计算机计算所需的全息图，再将全息图加载到空间光调制器等动态光调制器件以实现光场的重现。然而，由于动态光调制器件存在单元结构远大于可见光的波长的问题，导致全息显示的视场角很小，而且存在多级次、孪生像等问题。
近年来，随着微纳结构加工水平的不断提升，使用单元结构比光波长更小的超表面结构来实现全息成为了一种新的选择。常用的超表面利用共振相位、传播相位或光与物质相互作用引起的几何相位对光场进行操控。以常用方法实现的超表面全息依赖于对入射光的波前进行特定的局部调控，这会受到相邻像素间的串扰，极大地影响了超表面最终的成像效果，而且，受限于超表面结构的体积，实现传统计算全息方法中复杂的透过率函数编码方式较为困难，这对超表面的制备工艺与制备精度提出了非常高的要求。
因此，二进制全息编码方式制作超表面结构是超表面结构全息的研究方向之一。目前的二进制编码方式主要是在原来的全息图中引入一个截断函数，截断函数的作用是以一定的规则对原来的全息图进行二值化处理。经过截断函数处理后的全息图会不可避免地遇到信息丢失的问题，只能大致再现实际记录的波前，对于复杂程度较高的光场则无法做到很好的再现。如何在保持高质量再现的情况下，对光场进行二进制编码，成为了超表面结构全息的一个难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于光场编码的超薄超表面结构及其制备方法，利用特殊编码的纯振幅掩模板并结合全局调控手段，将目标光场的整体相位和幅度编码到厚度可忽略不计的超薄超表面结构中，实现对目标光场的高质量再现。
本发明的第一个目的在于提供一种基于光场编码的超薄超表面结构制备方法。
本发明的第二个目的在于提供一种超薄超表面结构。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于光场编码的超薄超表面结构制备方法，包括以下步骤：
设置期望的物光光场，生成对应物光光场的相位掩膜版；
设置参考光，计算物光光场与参考光的干涉图样；
对干涉图样进行二元编码，得到包含物体光相位及振幅信息的二元掩膜表达式；
利用二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到二元全息掩模板；
以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构中，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构。
进一步的，所述二元编码，包括以下步骤：
引入截断函数q(x,y)和Signal符号函数，定义M-Signal函数：
M＝sgn[cos(2πr/λ+Φ)-cos(πq)]
全息图在横向平面上产生，设置截断函数为包含振幅信息的q(x,y)：
q＝arcsin(A(x，y))/π
引入傍轴近似条件，得到最终的M-Signal函数：
M＝sgn{cos[π/λz(x2+y2)+Φ]-cos[arcsin(A(x，y))]}
将干涉图样使用M-Signal函数进行截断，得到二元掩膜表达式。
进一步的，所述以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构，包括以下步骤：
制作超表面结构，所述超表面结构包括超表面结构层和基底层；
根据二元全息掩模板中的像素位状态，确定超表面结构中的完全透光部分与完全挡光部分，得到结构图案；
在超表面结构层上使用聚焦离子束(EBL)刻蚀结构图案，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构。
进一步的，所述超表面结构层，由玻璃基底上镀金膜层得到，金膜层的厚度为50nm。
进一步的，所述物光光场为Airy光场或Bessel光场，所述参考光为球面光，但不限于上述光场。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种超薄超表面结构，超薄超表面结构图案为二进制编码形式的包含物体光相位及振幅信息的二元全息掩模板。
进一步的，所述超薄超表面结构包括透明玻璃基底和镀在玻璃基底上的金膜，所述金膜的厚度为50nm，金膜的图案为所述超薄超表面结构图案。
进一步的，所述二元全息掩模板由二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到。
进一步的，所述二元掩膜表达式，由以下步骤获得：
设置期望的目标光场和参考光，计算物光光场与参考光的干涉图样；
引入Signal符号函数、傍轴近似条件和振幅相关的截断函数q(x,y)组成的M-Signal函数：
M＝sgn{cos[π/λz(x2+y2)+Φ]-cos[arcsin(A(x，y))]}
将干涉图样使用M-Signal函数进行截断，得到二元掩膜表达式。
进一步的，所述物光光场为Airy光场或Bessel光场，所述参考光为球面光，但不限于上述光场。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明提供的基于光场编码的超薄超表面结构，将光场的整体信息编码到超薄超表面结构中，从而使成像效果受单一微元结构加工工艺水平影响小，实现高信噪比的微纳全息成像，在光学微加工、微操控、光雕刻、微纳全息等领域有着广阔的应用前景。
2、本发明提供的基于光场编码的超薄超表面结构，对光场的相位和幅度信息进行二元编码，减少了二元编码造成的信息损失。而且，由于不再需要使用超表面结构实现复杂的透过率函数，降低了超薄超表面结构全息的工艺和制备精度要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的将Airy光场编码成超薄超表面的流程示意图。
图2为本发明实施例1中Airy光场在二进制编码下的结果示意图，其中(a)为携带Airy光场相位以及振幅信息的超表面示意图，(b)为Airy光场的强度分布图，(c)为Airy光场的截面强度图，(d)是Airy光场的传播动力学图。
图3为本发明实施例2中Bessel光场编码成(拓扑荷数为0)的超薄超表面示意图，其中(a)为Bessel光场的超表面示意图，(b)为Bessel光场的强度分布图，(c)为Bessel光场的截面强度图，(d)为Bessel光场的传播动力学图。
图4为本发明实施例2中Bessel光场编码成(拓扑荷数为1)的超薄超表面示意图，其中(a)为Bessel光场的超表面示意图，(b)为Bessel光场的强度分布图，(c)为Bessel光场的截面强度图，(d)为Bessel光场的传播动力学图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种基于光场编码的超薄超表面结构制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、设置期望的目标光场(即物光光场)为Airy光场。设置生成对应物光光场
其中/>
为三次相位，k为设置的波数等于2π/λ，w0代表Airy光场(即目标光场)光束主瓣的束腰半径，生成Airy光场的相位掩模板。
S2、输入
的球面波作为参考光，f0为超表面聚焦的焦距大小。计算物体光与球面波的干涉Er＝|Er1+Er2|2，实现对两束光的干涉，得到干涉图样。
S3、引入截断函数q(x,y)和Signal符号函数，定义M-Signal函数：
M＝sgn[cos(2πr/λ+Φ)-cos(πq)]
Φ为目标光场的相位分布，λ为入射光的光波波长，x、y、z为成像的空间坐标。全息图在横向平面上产生，设置截断函数为包含振幅信息的q(x,y)：
q＝arcsin(A(x，y))/π
引入傍轴近似条件，得到最终的M-Signal函数：
M＝sgn{cos[π/λz(x2+y2)+Φ]-cos[arcsin(A(x，y))]}
将干涉图样使用M-Signal函数进行截断，得到二元掩膜表达式。
S4、利用二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到二元全息掩模板。
S5、以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构中，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构，具体包括：
S51、在30×30mm的玻璃基底(SiO2)上镀上一层50nm厚的金膜，得到超表面结构；
S52、根据二元全息掩模板中的像素位状态，设定像素位状态为1对应超表面结构中的完全挡光部分，像素位状态为0对应超表面结构中的透光部分，得到结构图案；
S53、使用聚焦离子束(EBL)在金膜上刻蚀结构图案，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构。
在本实施例中，各光学元件的单位均设置为微米，超薄超表面结构采用二元超薄金属膜；也就是说，以二进制编码的方式实现了将目标光场的整体相位和幅度编码到厚度可忽略不计的二元超薄金属膜中，使二元超薄金属膜具有平方相位的圆对称结构，从而实现光斑的聚焦效果，得到本发明的超薄超表面结构，如图2所示。
实施例2：
本实施例提供了一种基于超薄超表面结构的全息方法，包括以下步骤：
S1、设置期望的目标光场为Bessel光场。设置生成对应物光光场
其中/>
k为设置的波数，k＝2π/λ，l为拓扑荷数，设定为1，w0代表目标光场光束主瓣的束腰半径，生成Bessel光场的相位掩模板。
S2、输入
的球面波作为参考光，f0为超表面聚焦的焦距大小；计算物体光与球面波的干涉Er＝|Er1+Er2|2，实现对两束光的干涉，得到干涉图样。
S3、引入截断函数q(x,y)和Signal符号函数，定义M-Signal函数：
M＝sgn[cos(2πr/λ+Φ)-cos(πq)]
Φ为目标光场的相位分布，λ为入射光的光波波长，x、y、z为成像的空间坐标。全息图在横向平面上产生，设置截断函数为包含振幅信息的q(x,y)：
q＝arcsin(A(x，y))/π
引入傍轴近似条件，得到最终的M-Signal函数：
M＝sgn{cos[π/λz(x2+y2)+Φ]-cos[arcsin(A(x，y))]}
将干涉图样使用M-Signal函数进行截断，得到二元掩膜表达式。
S4、利用二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到二元全息掩模板。
S5、以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构中，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构，具体包括：
S51、在30×30mm的玻璃基底(SiO2)上镀上一层50nm厚的金膜，得到超表面结构；
S52、根据二元全息掩模板中的像素位状态，设定像素位状态为1对应超表面结构中的完全挡光部分，像素位状态为0对应超表面结构中的透光部分，得到结构图案；
S53、使用聚焦离子束(EBL)在金膜上刻蚀结构图案，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构。
在本实施例中，各光学元件的单位均设置为微米，超薄超表面结构采用二元超薄金属膜；也就是说，以二进制编码的方式实现了将目标光场的整体相位和幅度编码到厚度可忽略不计的二元超薄金属膜中，使二元超薄金属膜具有平方相位的圆对称结构，从而实现光斑的聚焦效果，得到本发明的超薄超表面结构。
拓扑荷数l设定为0时，如图3所示；拓扑荷数l设定为1时，如图4所示。
综上所述，本发明提出的基于光场编码的超薄超表面结构及其获取方法，利用特殊编码的纯振幅掩模板并结合全局调控手段，将目标光场的整体相位和幅度编码到厚度可忽略不计的超薄超表面结构中，实现对目标光场的高质量再现，并且可以实现纳米尺度是全息成像，在光学微雕刻，光信息存储，光学微操控都有广泛的应用。具有较大的使用价值和意义，有望被广泛应用。
显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (7)
1.一种基于光场编码的超薄超表面结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置期望的物光光场，生成对应物光光场的相位掩膜版；
设置参考光，计算物光光场与参考光的干涉图样；
对干涉图样进行二元编码，得到包含物体光相位及振幅信息的二元掩膜表达式；
利用二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到二元全息掩模板；
以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构中，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构；
所述二元编码，包括以下步骤：
引入Signal符号函数、傍轴近似条件和振幅相关的截断函数q(x,y)组成的M-Signal函数：
M＝sgn{cos[π/λz(x2+y2)+Φ]-cos[arcsin(A(x,y))]}
其中，Φ为目标光场的相位分布，λ为入射光的光波波长，x、y、z为成像的空间坐标；
将干涉图样使用M-Signal函数进行截断，得到二元掩膜表达式；
所述以二进制编码的形式将二元全息掩模板编码到超薄超表面结构，包括以下步骤：
制作超表面结构，所述超表面结构包括超表面结构层和基底层；
根据二元全息掩模板中的像素位状态，确定超表面结构层中的完全透光部分与完全挡光部分，得到结构图案；
在超表面结构层上刻蚀结构图案，得到包含物光相位和振幅信息的超薄超表面结构。
2.根据权利要求1所述的基于光场编码的超薄超表面结构制备方法，其特征在于，所述超表面结构层由玻璃基底上镀金膜层得到，金膜层的厚度为50nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于光场编码的超薄超表面结构制备方法，其特征在于，所述物光光场为Airy光场或Bessel光场，所述参考光为球面光。
4.一种根据权利要求1所述方法制备的超薄超表面结构，其特征在于，超薄超表面结构图案为二进制编码形式的包含物体光相位及振幅信息的二元全息掩模板。
5.根据权利要求4所述的超薄超表面结构，其特征在于，所述超薄超表面结构包括透明玻璃基底和镀在玻璃基底上的金膜，所述金膜的厚度为50nm，金膜的图案为所述超薄超表面结构图案。
6.根据权利要求5所述的超薄超表面结构，其特征在于，所述二元全息掩模板由二元掩膜表达式和菲涅尔滤波器进行数值模拟得到。
7.根据权利要求1所述的超薄超表面结构，其特征在于，所述物光光场为Airy光场或Bessel光场，所述参考光为球面光。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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