[发明专利]基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法

说明书

本发明公开了基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法。该光学调制器包括五层结构，至下而上依次为金属反射层‑下电介质层‑金属中间层‑上电介质层‑金属层；所述光学调制器的工作波长由上电介质层的厚度决定，通过改变下电介质层的厚度以实现工作波长下反射光强的控制。所述超表面由多个光学调制器阵列于一平面构成，可实现灰度图像的加密隐藏和显示。本发明将反射强度连续控制和工作波长可定制的优势集成为一个纳米微腔的薄膜结构，通过优化调制，可以实现灰度图像信息加密的功能，同时具有结构简单，微纳尺寸以及易于集成等优点，可广泛用于光学调制，信息加密，完美吸收等光学领域。

技术领域

本发明属于微纳光学领域，尤其涉及一种基于纳米微腔的光学调制器、超表面及其信息加密方法。

背景技术

干涉是电磁波的基本现象，当两束或者多束光波在空间中相干重叠时，会构建出相长或者相消的强度分布。通过改变两束光波之间的相位差，可以实现强度的连续调控，许多光学设备都依赖于干涉原理，例如干涉仪，光谱仪，相干完美吸收等。近来，基于法布里-珀罗(Fabry–Perot，FP)腔的干涉效应，一种反射式金属-绝缘体-金属制成的三层薄膜叠层被广泛研究被用于完美吸收(Li Z,Butun S,Aydin K.Large-area,lithography-freesuper absorbers and color filters at visible frequencies using ultrathinmetallic films[J].Acs Photonics,2015,2(2):183-188.)，通过改变绝缘体层的厚度，可以定制其完美吸收的工作波长，这种薄膜叠层的策略可以满足经济高效的大面积制造以及优越的光学性能。然而，这种设计缺乏对同一波长下连续灰度调控的能力，当绝缘体层的厚度变化～30nm时，其反射率将从0快速转变到1，这样的厚度变化范围内，实现强度的连续控制，对加工工艺是一项巨大的挑战。

在超表面领域，一种基于马吕斯定律的连续强度调制的策略被提出(Dai,Liangui,Deng,et al.Ultracompact,high-resolution and continuous grayscaleimage display based on resonant dielectric metasurfaces.[J].Optics express,2019,27(20):27927-27935.)，通过改变微纳单元结构的旋转角，可以在亚波长尺度下对电磁波进行连续的强度调制，但是该设计要求入射光的偏振为线偏振；同时，一种单元结构只对应一个工作波长，当工作波长切换时，其结构的参数需要进行重新设计，这限制了该微纳器件用于连续强度调制的场景。随着对光学器件小型化，集成化的要求和趋势，利用微纳尺度下的结构，实现对任意偏振的光波进行连续的强度调制并且工作波长可定制，亟待新的创新和革命。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了基于纳米微腔的光学调制器、超表面及信息加密方法。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于纳米微腔的光学调制器，包括五层结构，至下而上依次为金属反射层-下电介质层-金属中间层-上电介质层-金属层；

所述光学调制器的工作波长由上电解质层的厚度决定，通过改变下电解质层的厚度以实现工作波长下反射光强的控制。

进一步，所述金属反射层、金属中间层和金属层的材料包括银和金。

进一步，所述下电介质层和上电介质层的材料包括PMMA、二氧化硅和三氧化二铝。

进一步，所述光学调制器在加密波长下，通过调制，将上层电介质厚度与加密波长对应，固定金属中间层、上电介质层和金属层各层厚度，改变下电介质层的厚度以实现反射光强度的控制。

进一步，所述金属层与金属中间层的厚度相同。

第二方面，本发明提供第一方面所述光学调制器在光学调制、灰度图像信息加密和完美吸收中的应用。