[发明专利]基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法

权利要求书

1.基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成；通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控；所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P；

步骤二：选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图；根据所得全息图以及灰度图像对应的偏振态分布，编码确定纳米柱单元的几何尺寸以及方位角，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件；

步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面；通过超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。

2.如权利要求1所述的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，

用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成；利用琼斯矩阵方法可将超颖表面每个单元所对应的出射与入射光束的琼斯矢量关联在一起；

出射光束的琼斯矢量E^out由公式1计算可得：

其中t_ij(i＝x或y)为透射系数，j和i分别表示着入射光束和出射光束的偏振方向。当超颖表面单元内的介质纳米柱的透射率较高时，该单元所对应的琼斯矩阵T可视为一个对称的酉矩阵；满足酉矩阵条件的琼斯矩阵T可以根据其本征矢量和本征值矩阵(Δ)进行分解，可分解为：

式中，矩阵V代表着平面内的二维旋转矩阵，旋转角度为θ角；上式可理解为，当入射光(Eⁱⁿ)入射到超颖表面时，入射光的电场矢量Eⁱⁿ在平面内先旋转-θ角度；然后，介质超颖表面对旋转过的电场矢量的x和y分量分别引入相移φ_x和φ_y；最后，再将引入过相移的电场矢量旋转θ度；若可对相移φ_x和φ_y以及旋转角度θ进行任意的选择，利用介质超颖表面即可实现对出射光场相位和偏振的任意调控；

在纳米柱高度H和周期P固定的情况下，改变纳米柱的长轴长度L和短轴长度W，利用仿真软件进行二维扫描得到不同尺寸纳米柱所对应的透射系数的t_xx和t_yy；仿真时应对入射光的波长、构成纳米柱的材料种类、纳米柱高度H和周期P进行合理的选择，使透射系数的相位和能够覆盖0～2π；同时，透射系数的幅值abs(t_xx)和abs(t_yy)应尽量接近于1，使得超颖表面每个单元的琼斯矩阵T满足酉矩阵条件；通过改变纳米柱单元几何尺寸以及方位角，即可通过超颖表面对出射光束的相位和偏振态进行任意地调控。

3.如权利要求1和2所述的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：所述仿真软件采用基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。

4.如权利要求1所述的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，

首先，选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图所对应的相位分布根据所选灰度图案的灰度值分布，通过马吕斯定律计算得到出射光束的偏振态分布p；随后，将出射光束的相位分布以及偏振态分布p代入公式(1)，计算得到超颖表面每个单元所对应的琼斯矩阵T；通过对琼斯矩阵的本征值和本征矢量进行分析，确定超颖表面每个单元内纳米柱所需的相移φ_x和φ_y，以及方位角θ；根据步骤一中所得到的透射系数t_xx和t_yy的二维扫描结果，即可确定超颖表面每个单元内纳米柱的长轴长度L以及短轴长度W；在确定纳米柱几何尺寸的过程中，需保证公式(3)所示的误差ε尽量小，使得所设计的超颖表面能够更加准确对出射光的相位和偏振分布进行调控；

ε＝abs(t_xx-exp(iφ_x))+abs(t_yy-exp(iφ_y)) (3)

因此，通过上述方法，利用所设计的超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，能够实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能；同时，该方法对于入射光的偏振态没有严格的限制；对于任意偏振态的入射光，均可以通过上述方法进行设计，实现多幅图像的存储功能。