[发明专利]一种基于微纳半波片的多功能超表面

说明书

本发明设计了一种基于微纳半波片的多功能超表面，多功能超表面由基底和刻蚀在基底上的纳米砖阵列构成，使得一个超表面可以同时实现对线偏振光的偏振调控与对圆偏振光的相位调控。在近场通过偏振态的调控可以实现高分辨率连续灰度图像显示，在远场通过四台阶相位调控可以再现全息图像，两种调控模式相互独立，互不影响。本发明提供了一种新的信息复用的方法，并可以在加密显示、信息安全领域得到广泛的应用。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于微纳半波片的多功能超表面。

背景技术

近年来，超表面由于其具有亚波长结构、可对电磁场进行精确地操控等优势备受关注。作为二维平面材料，超表面可设计为平面光学器件，通过结合一些控制方式来实现更多的功能，例如，可以通过改变入射光偏振态或波长来产生不同图像的超表面全息图，利用入射光圆偏振态的变化实现双档变焦等等。目前，很多研究者利用超表面材料控制相位或者偏振态来实现一些具体的功能，但同时叠加多种控制并获得响应的设计尚未被提出和研究，因此，我们提出通过整合多种超表面的功能可以将多种功能复合叠加，从而拓展超表面的应用。将多种功能复合叠加在同一超表面器件上，相较于原本只局限于单一控制和响应的超表面将会实现更多的功能，因此这种多功能复合型超表面将会在未来具有极大的应用发展前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于微纳半波片的多功能超表面，将其应用于加密显示中，具有半波片特性的多功能超表面既可以实现相位控制也可以实现偏振控制。结合马吕斯定律，其可同时实现远场全息显示和近场灰度显示。将其应用于加密显示时，相位控制和偏振控制可作为加密显示的两种独立模式，即由四台阶相位控制在远场产生一个全息图像，由偏振控制在近场产生一个高分辨率的连续灰度图像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于微纳半波片的多功能超表面，由基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列构成，对光波同时进行偏振调制和相位调制，在近场产生高分辨率的连续灰度图像，在远场产生全息图像。

按上述技术方案，多功能超表面采用SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构，顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅-硅作为基底。

按上述技术方案，基底可划分为多个纳米单元结构，每个纳米单元结构均由一个边长为C的正方形的工作面和该工作面上刻蚀的一个纳米砖构成，所述的纳米砖结构尺寸长L、宽W、高H，根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到，且均为亚波长级，以正方形的两个直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角φ为纳米砖的转向角。

按上述技术方案，多功能超表面中每个纳米单元结构的功能等效为一个半波片，其功能可表示为：

其中，φ为纳米砖的转向角，设相位改变量为则以圆偏光入射时，出射一个带有2φ相位改变量的交叉偏振(相反偏振态)的圆偏光。

按上述技术方案，多功能超表面上的每个纳米单元结构等效为半波片，当以线偏光入射时，若入射线偏光的偏振方向与纳米砖长轴方向夹角为θ/2，则出射线偏光的偏振方向与入射线偏光的偏振方向的夹角为θ，所述的出射线偏光通过检偏器后符合马吕斯定理，即

I＝I₀cos²θ

其中，I₀为经多功能超表面后出射线偏光光强，I为经检偏器后出射线偏光的光强，可以通过改变θ的大小实现任意的灰度调节，假设入射线偏光为x线偏光，为得到偏振方向与x线偏光的偏振方向夹角为|θ|的出射线偏光，纳米砖的转向角可为θ/2、-θ/2、90°+θ/2、-90°-θ/2四种角度，由此可在出射线偏光光强相同的情况下获得四种相位调控量的设计自由度。

按上述技术方案，由于每个纳米砖具有四种相位调控的自由度，结合模拟退火算法，可利用相位调控量将所述多功能超表面设计为一个全息片，在远场实现全息显示。