[发明专利]基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法

摘要

本发明公开的基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，属于微纳光学和全息复用应用领域。本发明利用3D‑Fienup算法实现相位恢复，将不同图像的再现位置取不同的数值，获得包含全部信息的计算机生成全息图；选取金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元，基于贝里相位的调制原理实现相位调制，通过编码与原相位共轭的全息相位剖面，使偏振状态成为复用途径，实现圆偏振选择的全息复用通道；制作出记录计算机生成全息图的超颖表面相位片，选取与其手性正交的出射圆偏振光，光学再现出所记录的三维物体或波面。本发明提供可见光和近红外波段的亚波长像素、超薄、大视场角、大容量的全息复用方法，此外，能够有效降低串扰、实现圆偏振选择性的全息复用。

主权项

1.基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：利用3D‑Fienup算法来实现相位恢复，将不同图像的再现位置取不同的数值，以获得包含不同再现位置的多个物体的全部信息的计算机生成全息图(CGH)；步骤二：根据步骤一得到的计算机生成全息图，选取金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元，基于贝里相位的调制原理实现相位调制，通过编码与原相位共轭的全息相位剖面，使偏振状态成为复用途径，实现圆偏振选择的全息复用通道，进一步增加全息图的信息容量；步骤三：利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺，制作出以步骤二所述的金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元的记录步骤一所述计算机生成全息图的超颖表面相位片，利用不同手性的圆偏振光入射，选取与其手性正交的出射圆偏振光，光学再现出所记录的三维物体或波面；步骤一具体实现方法包括如下步骤，步骤1.1：初始化全息面，在循环迭代开始前，把全息图的相位设置为随机相位，振幅设置为全平面等于1；步骤1.2：模拟从全息面到第一个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)来计算第一个物平面的复振幅；其中U0和Ud分别代表全息面和物平面上的复振幅；x0，y0和x，y分别表示全息面和物平面上的空间坐标，j为虚数单位，k为波矢，d表示全息面和物平面之间的距离；步骤1.3：使用3D‑Fienup算法的反馈函数Tn＝T+|T‑Tn’|κ对第一个物平面进行振幅替换，其中T代表目标图像，Tn’是由n次迭代所得到的振幅信息，在物平面只保留步骤1.2计算所得复振幅的相位信息，用Tn替代Tn’即可完成振幅替换；通过适当选择该公式中的κ值，反馈操作能够更高效地限制振幅，加快收敛速度；步骤1.4：模拟从第一个物平面到全息面的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)的逆形式，即调换U0和Ud以及x0，y0和x，y在公式中的位置，并改变d的正负，计算全息面的复振幅；步骤1.5：把全息面的振幅归一化，只保留步骤1.4计算所得复振幅的相位信息，而把振幅设置为全平面等于1；步骤1.6：模拟从全息面到第二个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)来计算第二个物平面的复振幅；步骤1.7：使用3D‑Fienup算法的反馈函数对第二个物平面进行振幅替换，只保留步骤1.6计算所得复振幅的相位信息，而用目标振幅Tn2替换其振幅；步骤1.8：模拟从第二个物平面到全息面的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式的逆形式来计算全息面的复振幅；步骤1.9：把全息面的振幅归一化，只保留步骤1.8计算所得复振幅的相位信息，而把振幅设置为全平面等于1；步骤1.10：经过步骤1.1至1.9的迭代处理之后，即完成前两个再现面与全息面之间的迭代过程，将两个不同再现位置的不同图像所包含的信息编码到全息图中，且回到最初的运算起点，即全息面处，若还有更多的再现面，只需在每个循环内加入相应迭代过程即可，此时若未达到预设的循环次数且不满足预设的出口条件，需重复步骤1.2到1.9实现循环迭代；当达到预设的循环次数，或满足预设的出口条件时，则停止循环迭代，获得包含不同再现位置的多个物体的全部信息的计算机生成全息图(CGH)；利用上述步骤1.1至步骤1.10串行程序结构的3D‑Fienup算法，即能够得到最终的计算机生成全息图(CGH)，包含不同再现位置的多个物体的全部信息；通过选取多个不同的图像，仅需将不同图像的再现位置取不同的数值，即能够实现同一手性圆偏振光入射下，在菲涅耳衍射区的不同空间位置分别出现前、后再现的全息图，实现空间复用。