[发明专利]偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用

说明书

本发明公开了一种偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用，涉及微纳光学技术领域。本发明所使用的超表面其功能等效于半波片，可对入射线偏振光的偏振态进行调控，通过转动超表面样片，出射光经过检偏器可产生两种不同的图像信息，基于空频复用的混合图像作为其中一种图像信息，由于混合图像在不同截止频率的滤波器滤波后可提取不同的图像信息，从而可将基于偏振控制的双通道显示拓展至三通道的复用。本发明将防伪图案作为偏振控制的另一通道叠加在空频复用的混合图像中可广泛应用于高端产品的防伪等领域。

技术领域

本发明涉及微纳光学领域，具体是指一种偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用。

背景技术

近年来，超表面因其优越的电磁特性以及紧凑的亚波长结构得到研究者们的广泛关注，由于超表面可以通过较为简单的设计就可对电磁场的振幅、相位以及偏振态进行精确地操控，因此被设计为各类器件用于小型化和微型化的设备当中。利用超表面特殊的电磁特性可以通过一些不同的控制方式而获得不同的响应，例如，通过入射两束偏振方向正交的线偏振光而实现透镜无像差的双档变焦功能等。将偏振控制用于基于超表面的纳米印刷当中可实现多通道的信息复用，与空频复用相结合不仅可拓宽信息复用的通道还增加了信息验证的方式，应用于防伪中时由于复制难度大且安全性高，因此在图像防伪及信息加密等领域将具有很好的发展前景。

发明内容

本发明提出一种偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用。对于入射线偏光可调制其偏振方向，结合马吕斯定理，出射光通过检偏器可在近场显示一幅具有高分辨率的连续灰度混合图像，该混合图像被不同截止频率的滤波后可提取出不同的图像信息。转动超表面样片，混合图像的对比度发生改变并且在其上叠加了一个防伪图案。

基于以上提出的发明内容，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种偏振调控与空频复用结合的超表面，其特征在于：所述超表面由基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列构成；所述基底可划分为多个工作面，每个纳米单元结构均由一个边长为C的正方形工作面和刻蚀在其上的一个纳米砖构成，所述纳米砖为长L、宽W、高H的长方体，且其特征尺寸均为亚波长级由入射光波长优化获得；以纳米单元结构工作面的直角边为X轴和Y轴建立坐标系，以纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与X轴夹角θ为纳米砖的方位角；所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能都等效于一个半波片。

作为优选方案，所述超表面采用SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构；所述超表面顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，超表面底层二氧化硅-硅作为基底。

第二方面，本发明提供一种将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法，其特征在于：该方法利用如权利要求1或2所述的偏振调控与空频复用结合的超表面，包括以下步骤：

(1)优化纳米单元结构参数及特性：确定工作波长λ，利用电磁仿真软件根据所选定的工作波长对纳米单元结构进行扫描；为获得具有半波片功能的纳米单元结构，当圆偏振光入射时，优化对象为出射光中的同向偏振比例最小、交叉偏振比例最大，由此可优化出的纳米单元结构具有接近理想的半波片功能；

(2)选取两幅互不相关的图像，以两个不同的截止频率分别提取这两幅图像的高频分量和低频分量，并将提取的两种分量叠加至一幅图像中产生一幅连续灰度混合图像；

(3)结合马吕斯定理，每个纳米单元结构均可对入射的线偏振光进行局部偏振调控，通过改变纳米单元结构中的纳米砖的转角而实现任意的灰度调制；提取混合图像中每个像素的灰度值并利用马吕斯定理计算各像素点所需的纳米砖转向角，确定用于显示混合图像的方位角分布；

(4)选取一幅二值防伪图案，该图案像素尺寸小于混合图像，将防伪图案叠加至混合图像中，无叠加的部分保持原方位角不变，叠加的部分则需进行判断替换；二值防伪图案任意一像素若其灰度值为0，则原混合图像对应的像素处方向角变为π/2-θ或π-θ；若灰度值为255，则该处像素的方位角变为θ或π/2+θ；由此组成一个新的纳米砖阵列方位角分布；