专利摘要
专利摘要
本发明公开了一种超表面彩色矢量复振幅全息元件，包括面内转角与面内位移量都自由可调的双金属纳米棒单元结构；铝‑二氧化硅‑铝超构光栅结构在可见光范围所产生的偏振选择型衍射效率增强效应；单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之和对衍射光相位信息的线性调制关系，两个金属纳米棒旋转角之差对衍射光振幅的正弦型调制关系，两个金属纳米棒旋转角之和对衍射光偏振方向的线性调制关系；基于超构光栅固有色散，利用相位偏移量在衍射级上实现彩色全息的方法。本发明公开的超表面彩色矢量复振幅全息元件具有制备控制精度要求低、结构简单、调控自由度多等优点，具有同时控制光波相位、偏振、振幅与频率四个参数的强大功能。
权利要求
1.一种超表面彩色矢量复振幅全息元件，用于实现彩色矢量复振幅全息，其特征在于，所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件包括金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列，所述的金属纳米棒阵列由一系列的双原子超构分子排列而成，所述的超构分子由两个尺寸一致的、分别具有一定相对面内位移量与面内转角的金属纳米棒构成，所述的金属纳米棒阵列位于所述的电介质隔离层上，所述的电介质隔离层位于所述的金属基底之上，构成金属纳米棒阵列-电介质隔离层-金属基底的三明治结构，实现对衍射光的相位信息、振幅、偏振态与频率的同时独立调控，其中，所述的金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列的厚度均为纳米量级；当单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之差固定为超构光栅周期一半时，两个金属纳米棒面内旋转角之差与衍射光振幅呈正弦型调制关系。
2.根据权利要求1所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，所述的金属纳米棒和金属基底的材质为铝；所述的电介质隔离层的材质为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，所述的金属纳米棒阵列-二氧化硅隔离层-铝基底的超构光栅结构能够在可见光波段内偏振选择性地抑制反射光中的0级反射，并将-1级衍射效率提高到70％以上。
4.根据权利要求1所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，当单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之差固定为超构光栅周期一半时，两个金属纳米棒面内位移量之和与衍射光相位呈线性调制关系。
5.根据权利要求1所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，当单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之差固定为超构光栅周期一半时，两个金属纳米棒面内旋转角之和与衍射光偏振方向呈线性调制关系。
6.根据权利要求1所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，基于金属纳米棒阵列-二氧化硅隔离层-铝基底的超构光栅结构固有色散特性，通过对红、绿、蓝三原色光束添加相位偏移量的方式实现彩色全息。
7.根据权利要求1所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，通过调节金属纳米棒的相对间距与转角实现调控光波的振幅、相位与偏振方向。
8.根据权利要求1至7任一所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件的像素大小为500nm×350nm。
9.根据权利要求1至7任一所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件，其特征在于，所述的金属纳米棒的尺寸如下：长度140nm，宽度60nm，厚度30nm；所述的电介质隔离层的厚度100nm；所述的金属基底的厚度130nm。
说明书
技术领域
本发明涉及光学全息技术领域，具体涉及一种利用超表面平台实现的彩色矢量复振幅全息元件。
背景技术
超表面(metasurface)是一种超薄功能层结构，能够通过精确控制光的任意自由度来随意操纵光场。人们已经在超表面平台上实现了大量的光场调控应用，比较典型的包括平面衍射光学元件和平面偏振光学元件，其优势在于它们比传统的光学元件更加紧凑，重量更轻。通过对单个超构原子的散射特性进行设计，超表面可以单独控制光的相位、振幅、偏振和频率，从而可以制造出一些高性能且小巧的纳米光学器件，如高效率的超透镜、宽带偏振器件和高分辨率元全息图等等。全息技术是通过记录特定光波的振幅和相位，并在一定条件下再现得到与原物体逼真的图像再现技术，而基于超表面全息技术的像素单元大小通常为亚波长量级，这种特性在很大程度上提高了衍射器件的分辨率并降低了像素之间的不可调制区域。超表面全息元件是通过超构原子在器件表面形成特定的相位延迟分布以实现不同的功能，利用超表面设计研制的全息元件在保留其超薄特性的前提下，可以实现高效率、宽频段等在传统全息技术下难以实现的目标。
然而，对单一光学参数调控的超表面功能比较受限：它们仅能实现单调的单色全息再现或带色差的超表面透镜。在传统全息领域，要实现多个光学参数的同时调控，以实现复振幅全息、彩色全息等复杂功能，需要组合空间光调制器(SLM)的多个像素、或采用多片空间光调制器(SLM)级联的方式加以实现，这大大提高了光学系统的复杂性。另外，利用传统方式实现光学参数的完全调控，以产生彩色矢量复振幅全息的难度更是成倍增加。近年来，在超表面研究领域，人们提出了多种组合型的超表面设计原理来同时独立控制光的多个自由度。例如，通过多重几何相位单元来实现相位和振幅的结合控制以产生复振幅全息图[Adv.Mater.26(29),5031-5036(2014)；Nanoscale 10(9),4237-4245(2018)]；通过改变全电介质柱体的尺寸和转角实现相位与偏振的同时独立调控[Nat.Nano.10(11),937-943(2015)、Phys.Rev.Lett.118(11),113901(2017)、Science 358，896–901(2017)]；通过几何相位与频谱响应的结合控制，实现了宽带连续消色差超透镜[Nat.Nano.13(3)，227-232(2018)]与全彩色全息元件[Sci.Adv.2(11),e1601102(2016)]，等等。然而，要通过现有的超表面设计原理实现同时控制光的振幅、相位、偏振与频率这四个基本参数仍然具有挑战性，这阻碍了超表面全息元件功能和性能的进一步提升。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种可实现超表面彩色矢量复振幅全息元件，将几何PB相位(Pancharatnam-Berry phase)和迂回相位(Detourphase)设计原则结合，在单一超表面结构中同时并独立地调控光的振幅、相位、偏振与频率，使得该超表面彩色矢量复振幅全息元件具有宽工作波段、功能丰富的特点。在我们的设计中，通过构建一系列双原子超构分子，充分利用所有超构原子的面内转角与面内位移量提供的大量的自由度来实现对光波的振幅、相位、偏振的同时独立调控。进一步，结合超构光栅的固有色散特性实现对光波频率的控制，从而最终实现对光波四个基本参量的同时调控。本发明内容为多波长矢量波前整形、奇异矢量场构建和高保真彩色全息显示等领域提供了新途径。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种超表面彩色矢量复振幅全息元件，用于实现彩色矢量复振幅全息，所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件包括金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列，所述的金属纳米棒阵列由一系列的双原子超构分子排列而成，所述的超构分子由两个尺寸一致的、分别具有一定相对面内位移量与面内转角的金属纳米棒构成，所述的金属纳米棒阵列位于所述的电介质隔离层上，所述的电介质隔离层位于所述的金属基底之上，构成金属纳米棒阵列-电介质隔离层-金属基底的三明治结构，实现对衍射光的相位信息、振幅、偏振态与频率的同时独立调控，其中，所述的金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒阵列的厚度均为纳米量级。
进一步地，所述的金属纳米棒和金属基底的材质为铝；所述的电介质隔离层的材质为二氧化硅。
进一步地，所述的金属纳米棒阵列-二氧化硅隔离层-铝基底的超构光栅结构能够在可见光波段内偏振选择性地抑制反射光中的0级反射，并将-1级衍射效率提高到70％以上。
进一步地，当单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之差固定为超构光栅周期一半时，两个金属纳米棒面内位移量之和与衍射光相位呈线性调制关系。
进一步地，当单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之差固定为超构光栅周期一半时，两个金属纳米棒面内旋转角之差与衍射光振幅呈正弦型调制关系。
进一步地，当单元结构内两个金属纳米棒面内位移量之差固定为超构光栅周期一半时，两个金属纳米棒面内旋转角之和与衍射光偏振方向呈线性调制关系。
进一步地，基于金属纳米棒阵列-二氧化硅隔离层-铝基底的超构光栅结构固有色散特性，通过对红、绿、蓝三原色光束添加相位偏移量的方式实现彩色全息，而不需要多入射角复杂光路、多频谱响应的多类型超构原子复杂结构。
进一步地，调控光波的振幅、相位与偏振方向都不需要改变金属纳米棒的尺寸和形状，而只需要调节金属纳米棒的相对间距与转角，所以在可见光波段的宽频段范围内都是适用的。
进一步地，所述的超表面彩色矢量复振幅全息元件的像素大小为500nm×350nm。
进一步地，所述的金属纳米棒的尺寸如下：长度140nm，宽度60nm，厚度30nm；所述的电介质隔离层的厚度100nm；所述的金属基底的厚度130nm。
本发明的超表面彩色矢量复振幅全息的原理如下：
本发明将几何PB相位和迂回相位组合在单个超表面设计中。构建一系列双原子超构分子，充分利用所有超构原子的面内转角与面内位移量提供的大量的自由度实现对光波的振幅、相位、偏振的同时独立调控。进一步结合超构光栅的固有色散特性实现对光波频率的同时控制，最终实现对可见光的振幅、相位、偏振和频率的同时控制的四维波前调控功能。
由于MIM(金属-电介质-金属)纳米结构所支持的表面等离激元模式以及金属基底的作用，当光从金属纳米棒的上方入射时，其反射光的振幅、相位和偏振将受到表面等离激元共振模式的调制。我们将周期设置在与工作波长同一量级，可以使得反射光束中只包含有-1级和0级衍射光，此时，通过优化纳米散射结构的参数使表面等离激元共振工作在可见光波段，可以使-1级衍射光的衍射效率达到70％，并实现对0级衍射光有效抑制的目标。出射的-1级衍射光的参量可由超构分子内部两个纳米金属棒放置的位置条件决定：当两个纳米棒相互垂直时，两棒之间的局部位移s产生偏振态的相对相位2πs/p0，其中，p0为超构分子的周期，这意味着双原子超构分子相当于一个任意的各向异性波片，可以独立控制偏振态(包括线性，圆形和任意椭圆偏振态)和波前相位。当两个纳米棒的距离差为p0/2时，双棒的旋向角差ψ-产生sinψ-的整体振幅的调制，双棒的旋向角之和ψ+产生的(cosψ+,sinψ+)
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明的金属纳米棒、电介质隔离层和金属基底的厚度和周期均为纳米量级的，故本发明的具有体积小，重量轻，更紧凑的优点，具备可集成的潜力。
2)本发明的MIM(金属-电介质-金属)的三明治结构采用铝材料，通过精心设计可以使超表面的工作波段覆盖整个可见光波段，同时可以增强-1级衍射光的衍射效率抑制0级的衍射效率，最终高效率地生成色彩鲜艳的彩色全息图像。
3)本发明对衍射光振幅、相位和偏振态的调制只与超构分子中两个纳米棒的全局位移、局部位移与双纳米棒的旋转角之和、旋转角之差有关，与入射光的波长无关，故本发明具有无色散，宽带宽等优点。
4)本发明提出的一种可实现彩色矢量复振幅全息的超表面元件为在光场调控上具有强大的能力。它可以独立地同时控制单层光的相位，幅度，偏振和频率。
5)本发明提出的一种可实现彩色矢量复振幅全息的超表面元件仅使用单一类型的尺寸相同的超构原子，简化了设计过程的繁复和困难；且不同波长入射光具有相同的入射方向，解决了之前要求不同波长入射光具有不同入射角的光谱调制问题，简化了光学系统配置。
6)超表面彩色矢量复振幅全息图由于迂回相位基于光栅衍射，因此可以很容易地利用光栅的固有色散特性来实现彩色操作；全息图上偏振状态由超表面的参数精确控制，其可以双向切换预先设计好的具有正交偏振态的两个彩色全息图像；结合偏振对和不同波长可以实现9通道的多路复用功能，有望促进在高保真全彩色全息显示器和复矢量场构造上的应用。
附图说明
图1是本发明提出的结合几何PB相位和迂回相位的超表面的概念示意图；
图1(a)是超原子方向决定的几何PB相位结构示意图；
图1(b)是超原子位置决定的迂回相位结构示意图；
图1(c)是结合迂回相位和几何PB相位的超构分子对衍射光的振幅，相位和偏振调节的结构示意图和相应的琼斯矩阵；
图1(d)是基于金属-绝缘体-金属三明治结构的超表面的结构示意图，其可以产生彩色矢量复振幅全息图；
图2是周期性铝纳米棒阵列在可见光范围内的衍射效率和调制特性的示意图；
图2(a)是对于不同的入射角和波长，铝纳米棒阵列的增强-1级衍射效率示意图(TE偏振入射情况时-1级衍射效率)；
图2(b)是横向电场TE和横向磁场TM在入射角为45°下照射周期性铝纳米棒阵列时的-1级衍射和吸收谱线；
图2(c)是在固定铝纳米棒的取向角之和ψ+＝90°的情况下，-1级衍射光的振幅与铝纳米棒的取向角之差ψ-的关系示意图；
图2(d)是在固定铝纳米棒的取向角之和ψ+＝180°的情况下，-1级衍射光的振幅与铝纳米棒的取向角之差ψ-的关系示意图；
图2(e)是偏振态(tanΨe
图2(f)是偏振态(tanΨe
图3是彩色矢量复振幅全息超表面的实验实现案例图；
图3(a)是重建彩色全息图实验装置示意图；
图3(b)是理论模拟计算和实验测量得到的彩色全息图像；
图3(c)是实验测量得到的相位型彩色全息图和复振幅型彩色全息图像；
图4利用迂回相位结合几何相位超表面的调制特性实现彩色图像的双向全息切换实施案例图。
具体实施方式
为凸显本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，一种迂回相位结合几何相位超表面彩色矢量复振幅全息的编码方式与再现彩色矢量复振幅全息图像的示意图，包括金属基底、电介质隔离层和金属纳米棒，通过在电介质隔离层上适当地调整金属纳米棒的相对位置和改变双纳米棒的旋转角度，从而得到本方案提出的超表面彩色矢量复振幅全息元件。
其中，金属纳米棒、电介质隔离层和金属基底的厚度以及金属纳米棒长度和宽度均为纳米量级，我们选择铝作为纳米棒与基底的制作材料，因为铝在可见光区域吸收较小，电介质隔离层的制作材料为二氧化硅，该结构由电子束刻蚀得到，整个超表面结构放置在硅衬底上。在本实施例中金属纳米棒长度140nm，宽度60nm，厚度30nm，周期500nm，电介质隔离层的厚度为100nm，金属基底的厚度为130nm，参数经过仔细优化以获得最大衍射效率。本方案将迂回相位和几何PB相位组合在一个单个超表面设计中，充分利用所有单个超构原子的空间变化取向和位移，从而提供了多种可调制的自由度。结合光栅的固有色散特性，可以在本方案提出的超表面平台中轻松实现对可见光的振幅、相位，偏振和频率的同时控制，故我们可以在设计中实现彩色矢量复振幅全息。
图1中图1(a)和图1(b)展示了几何PB相位和迂回相位分别与超构原子参数之间的关系：
其中，ψ和p分别是超构分子的取向角和超构原子的位移，σ是一个整数，它限定了输出光和输入光之间的角/线性动量差。对于几何PB相位，我们通常取σ＝±1，其表示从左旋圆偏振(LCP)光到右旋圆偏振(RCP)光或从RCP到LCP转换的自旋角动量。对于迂回相位，σ＝±1，±2，...表示光栅的衍射级次，其限定衍射光和入射光之间的线性动量关系(以2π/p0为单位)。正如所看到的，两种相位都不依赖于超构原子的尺寸，因此与光的波长无关。本实施例设计结合了迂回相位和几何PB相位(图1(c))，提供了多种的自由度来同时控制光的多个参数的设计方案。由双原子超构分子的取向角和空间位置ψ1，p1，ψ2和p2的四个自由度决定的光学琼斯矩阵的广义形式可写为:
琼斯矩阵的一般形式以及它的特征向量是复杂的，然而，在δ1-δ2＝π的特殊情况下，琼斯矩阵可以简化为：
其中，p+＝p1+p2,ψ±＝ψ1±ψ2。对于线性偏振光入射，如TM偏振入射光Ei＝(0 1)
由此可见，全局位移p+，取向角度差ψ-和取向角度和ψ+分别可以连续地调制相位项 振幅项sinψ-、偏振项 由于本方案是通过使用尺寸相同的超原子，其与波长无关，因此可以在宽带下对波前的振幅、相位和偏振态的调制。为了实现彩色矢量复振幅全息，还需要不同的波长分量携带不同的波前信息。由于迂回相位基于光栅衍射，因此可以利用光栅色散特性来实现对不同波长的波前进行调控操作(图1(d))。
本实施例利用所提出方案来实现彩色矢量复振幅全息功能，三原色CW激光(R：671nm，G：561nm，B：473nm)组成的白光以入射角θ0照射到设计的结构上，由于光栅色散，衍射方向将大大分离(图3(a))。根据光栅方程可以很容易地获得R，G，B分量的衍射角：
其中J＝R，G，B代表三种颜色。如果我们选择垂直于绿光(G：561nm)衍射方向的平面为观察平面，观察平面与超表面结构之间的距离Zd＝ZdG，则红光和蓝光产生的-1级衍射光将分别位于绿光产生的-1级衍射光周围，具有衍射分离角(δR＝θR-θG，δB＝θG-θB)和传播距离(ZdR＝Zd/cosδR，ZdB＝Zd/cosδB)。为了在观察平面上获得预先设计的彩色全息图像，需要对红光和蓝光施加梯度相位因子，使其期望波前与绿光的期望波前具有相同的传播方向，需分别对红色、绿色、蓝色激光施加相移因子：
基于上述彩色全息记录方法，有理论计算和实验测量得到全息图像如图3(b)所示。对于每个颜色的入射光照射后出现的衍射全息图像，它分别包含来自所有全息信息通道的三个图像。在观察平面的中心区域(由黄色虚线框包围)，相应颜色通道中的期望全息图像看起来清晰且不失真，具有相同的尺寸，而对应于上述方程中的附加移位项的其他全息图像是失真的，并且红光和蓝光的全息图像尺寸具有明显的放大和收缩，这是由于尺寸和波长有关。
精心控制所设计的超构分子的参数可以控制输入和输出两处光的偏振方向，来实现复用全息图像的双路开关切换。图4所示为具有两个线性偏振器的多路可切换超表面全息示意图。然后，通过调节输入和输出光束的偏振态，来实现两个图像的相互切换。当固定入射光的偏振方向，改变出射光的偏振方向；或者固定出射光的偏振方向，改变入射光的偏振方向，都可以将全息图像从花朵到切换到彩虹或从彩虹到花朵，两个开关之间互不影响。
下面结合附图，对本发明公开的一种可实现多功能波前整形的超表面彩色矢量复振幅全息元件进行进一步说明。
图1是本发明所提出的迂回相位结合几何PB相位超表面的概念示意图。其中，图1(a)是几何PB相位示意图，它是通过旋转超构原子引起的诱导相位。图1(b)是通过移动超构原子诱导的迂回相位。图1(c)是结合了双原子超构分子中的迂回相位和几何相位示意图，超构分子的琼斯矩阵可以通过三个独立的参数同时调制局部场的幅度，相位和偏振。图1(d)是以金属-绝缘体-金属结构实现的迂回相位结合几何PB相位的示意图，其可以产生复振幅彩色和矢量全息图。
图2是本发明所提出的周期性超构表面在可见光范围内的衍射和调制特性示意图。图2(a)是对于不同的入射角和波长，铝纳米棒阵列的增强衍射效率(R-1，TE)图。图2(b)是所提出的MIM结构中周期性铝纳米棒阵列的TE偏振和TM偏振照射(入射角45°)下的-1级衍射和吸收光谱。图2(c)和(d)是在固定取向角之和(c)ψ+＝90°，(d)ψ+＝180°的情况下，调制的幅度分布作为可见光范围内的取向角差ψ-的函数示意图。图2(e)和(f)分别是调制的偏振态参数(tanΨe
图3是本发明提出的基于本方案的彩色全息图的实验实现。图3(a)是重建彩色全息图的实验装置，除了振幅，相位和偏振之外，光的颜色由光栅的固有色散特性单独调制。图3(b)是由R(671nm)，G(561nm)和B(473nm)三种CW激光器分别整体重建的全息图像。由虚线围绕的区域是形成预先设计的彩色图像的观察区域。左侧和右侧分别显示模拟和实验结果。图3(c)是重建的彩色全息图像，通过用具有相同入射方向的R，G，B激光器合束形成的白光照射该超表面。上侧和下侧分别显示了仅相位彩色全息图和复振幅彩色全息图的情况。
图4是通过本方案实现的矢量特性彩色全息图像的双向切换。将起偏器的偏振方向改变到其正交态，而保持检偏器的偏振方向不变；或者将检偏器的偏振方向改变到其正交态，而保持起偏器的方向不变，都能让全息图样在花朵与彩虹之间互相切换，这相当于偏振复用全息的双路开关切换。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
超表面彩色矢量复振幅全息元件专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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