[发明专利]实现近场双色图像显示与远场全息复用的超表面及其设计方法

权利要求书

1.一种实现近场双色图像显示与远场全息复用的超表面，其特征在于：

所述超表面材料由能够同时对红光和绿光响应的纳米砖形成纳米砖单元阵列，不同纳米砖单元结构之间的间隔为周期CS，不同位置的纳米砖单元对应不同的转角；

纳米砖单元结构对线偏光作用相当于起偏器；当入射红绿线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光将反射，绿光将透射；当入射红绿线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光将反射，红光将透射；

当入射红绿光通过一个起偏器再通过所述超表面，将在超表面材料表面形成彩色纳米印刷图案；当入射红色或绿色圆偏光通过所述超表面，其反射及透射光均能在远场形成一幅全息图案；

所述远场距离超表面材料30cm以上；

所述近场的彩色印刷图像实现红绿光之间连续的颜色调节；

所述远场傅里叶为二台阶图像；

利用马吕斯定律I＝I₀cos²(θ)以及几何相位原理，结合模拟退火算法，能够使近场的彩色纳米印刷图案和远场的傅里叶全息图完全无关，θ为转角。

2.一种如权利要求1所述实现近场双色图像显示与远场全息复用的超表面的设计方法，其特征在于：包含以下步骤：

(1)根据选定的两种入射光波长，通过电磁仿真软件，当入射线偏光垂直照射纳米砖单元时，沿长轴偏振的红光反射效率高，绿光透射效率高；沿短轴偏振的红光透射效率高，绿光反射效率高为目标，优化出纳米砖单元结构的周期CS、纳米砖单元结构的宽度W，长度L，和高度H；

(2)当入射线偏光沿x轴偏振时，定义纳米砖的转角θ为纳米砖长轴和x轴的夹角，当入射线偏光照射到超表面后，反射绿光的光强公式为I_G＝I₀sin²(θ)，反射红光的光强公式为I_R＝I₀cos²(θ)，从而在近场形成一幅介于红绿光之间的彩色图案；当转角为θ和-θ时，圆偏光通过这两个转角后，被附加的几何相位分别为2θ和-2θ；因此在保证近场彩色纳米印刷图案不变的同时，给入射圆偏光施加的几何相位具有一定的相位自由度；

(3)在设计由n个纳米砖单元结构组成的纳米砖阵列时，在保证近场彩色纳米印刷图案不变的前提下，共有2ⁿ个转角组合，根据远场单色目标图像，采用模拟退火算法，对每个纳米转角进行二选一的优化，得到最终的转角组合，从而确定纳米砖阵列的结构；

(4)根据步骤(3)确定的硅纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备近场双色图像显示与远场全息复用的超表面；

(5)根据得到的近场双色图像显示与远场全息复用的超表面，入射光通过起偏器后，将在样片表面观察到彩色纳米印刷图案，将在远场观察到傅里叶全息图。