[发明专利]实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法

说明书

本发明属于微纳光学技术领域，公开了实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法。超表面由若干个纳米砖结构单元构成，纳米砖结构单元包括基底和纳米砖；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色；每个纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据远场全息图像对应计算的全息振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布；以非偏振白光入射至超表面，反射光在超表面所在平面上显示彩色印刷图像；以线偏振光入射至超表面，出射光经过检偏器在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像。本发明能够通过一片超表面实现彩色纳米印刷和远场全息复用。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法。

背景技术

超表面材料能够在亚波长尺度对光波电磁场的振幅、相位和偏振态等进行灵活有效的精确调控，具有尺寸小、重量轻、加工方便等优势，已被广泛应用于光学的各个领域。通过改变组成超表面材料的单元结构的尺寸参数，能够使其具备不同的光谱响应，从而实现彩色纳米印刷。通过超表面的振幅调制和相位调制功能，超表面计算全息术已有极大的发展。

目前已有大量研究利用超表面分别实现纳米印刷显示和全息图像显示。但是通过一片超表面实现纳米印刷和全息复用技术还研究较少。通过超表面实现彩色纳米印刷与全息复用，在提高信息密度、集成多功能器件、实现信息加密等领域具有重要的应用前景。

发明内容

本发明通过提供实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面及其设计方法，解决现有技术中超表面难以实现不同种类功能集成、多通道工作串扰大、设计过程复杂、加工误差容忍度低的问题。

本发明提供实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；

以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；

不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色；

每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据远场全息图像对应计算的全息振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布；

以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在所述超表面所在平面上显示彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示远场全息图像。

优选的，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。

另一方面，本发明提供上述的实现彩色纳米印刷和全息的双功能超表面的设计方法，包括以下步骤：

优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计远场全息图像，根据远场全息图像对应计算的全息振幅分布对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。

优选的，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标。

优选的，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数。