[发明专利]一种Polarizer-Grating叠层超表面及其应用

说明书

本发明公开了一种基于Polarizer‑Grating(P‑G)叠层超表面及其在彩色图像显示的应用。所述P‑G叠层超表面由多个单元结构周期性阵列于一平面形成。单元结构至下而上依次包括微纳起偏器、支撑层和微纳滤波器。通过优化微纳起偏器、微纳滤波器的几何尺寸，可设计出具有偏振分离和窄带响应功能的P‑G叠层超表面结构。针对特定的波长进行设计，通过控制微纳起偏器及微纳滤波器的几何结构，可实现红光、绿光及蓝光波段的窄带光强调节功能，将这三种微纳窄带光强调制器组合，即可实现彩色图像显示功能。该超表面具有超微的尺寸结构，结构紧凑，且设计灵活，可无限度调制灰度，实现高分辨率的彩色图像印刷/显示，并可广泛用于信息加密、光学防伪、复制画等领域。

技术领域

本发明涉及微纳光学和偏振光学领域，尤其涉及一种由微纳起偏器和二元光栅构成的Polarizer-Grating(P-G)叠层超表面结构，并基于此构造微光学系统，实现彩色图像显示功能。

背景技术

目前，基于微纳结构的彩色图像显示技术被广泛研究，大部分微纳结构依赖于其结构的特异性产生不同颜色，这种生成颜色的机制被称为结构色。由于结构色的丰富度取决于微纳结构的形状和数目，并且这种结构色难以调控和覆盖更大色域，因此，为实现具有高分辨率，无限度调节灰度的彩色显示功能，一种超紧凑、可灵活调控颜色的彩色显示器件亟待提出。

发明内容

本发明的目的是提供一种由微纳起偏器和二元光栅构成的叠层超表面结构(Polarizer-Grating叠层超表面，简称为P-G叠层超表面)，这种叠层超表面结构可对入射光的颜色、光强同时进行调节，在保证丰富颜色信息的前提下实现彩色图像显示功能。

本发明提供的技术方案如下：

一种Polarizer-Grating叠层超表面，由多个单元结构周期性阵列于一平面形成；

其中，结构单元自下而上依次为微纳起偏器单元、支撑层和微纳滤波器单元；

所述微纳滤波器单元自下而上依次由高折射率介质层、低折射率介质层和纳米砖I构成；

所述微纳起偏器单元由纳米砖II构成；超表面设置的参数满足对入射光进行颜色、光强调制，以实现彩色图像显示功能。

具体的，

所述纳米砖I为长方体，其横截面为正方形；

所述纳米砖II为长方体；

高低折射率介质层、支撑层为长方体，三者的横截面为等边正方形；所述单元结构的周期CS为支撑层的边长。

具体的，所述参数包括CS，高折射率介质层高H3、低折射率介质层高H2，纳米砖I的边长C、高H1，纳米砖II的长L、宽W、高H4以及纳米砖II的旋向角φ。

具体的，以支撑层横截面的直角边为x轴和y轴建立xoy直角坐标系，纳米砖II长边为长轴、短边为短轴，纳米砖II的长轴与x轴夹角即为旋向角φ；纳米砖I的旋向角为0。

具体的，通过对纳米砖I边长C、高H1以及高低折射率层厚度H3、H2的控制，实现对入射光不同波段的窄带滤波。

具体的，通过对纳米砖II长L、宽W以及支撑层边长CS和高度H4的控制，在不同工作波段实现偏振分光功能。通过对纳米砖II旋向角φ的控制，实现入射线偏光的光强、偏振态的调制。在超表面上，各纳米砖II可以根据需要定制不同的旋向角。

具体的，所述CS、H1、H2、H3、H4、C、L、W均为亚波长级；其中H1、H2、H3、H4的变化范围为10-500nm。