基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法

摘要

本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，属于微纳光学、全息显示、偏振光学应用技术领域。利用级联的金属L形纳米天线与金属偶联极子天线作为基础结构单元，打破了光波传播方向上的空间对称性，在获得了非互易的非对称传输特性的同时实现了全范围的相位调制，可以将计算机生成全息图对应的相位信息编码到该超颖表面光学系统中，使再现像只能在特定的偏振状态和入射方向对应的加密通道中被观察到，实现了非互易性非对称传输的偏振加密。据此，可实现对图像的偏振加密，应用于全息显示，信息加密等领域。本发明提供了一种红外波段的亚波长像素、具有非互易性非对称性质的、可偏振加密的全息显示方法。

权利要求

1.基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，其特征在于：通过调整所述多层超颖表面的金属纳米天线的形状和尺寸，能够实现金属纳米天线所在基本组成单元的传输矩阵的非对角元的调制，进而实现正交偏振传输信道的0到2π的全相位调制范围；根据全息图的相位分布，逐一确定所有金属纳米天线的形状和尺寸，即能够将全息图的相位信息编码于所述多层超颖表面；使全息图的再现像只能在特定的偏振和传输方向对应的加密通道中观察到，实现非互易性非对称传输的偏振加密的全息显示；

所述多层超颖表面，能够实现非互易性非对称传输，包括基底层、金属偶联极子天线层、间隔层和金属纳米天线层；所述金属偶联极子天线层阵列排布在基底层上；间隔层置于金属偶联极子天线层和金属纳米天线层之间；所述金属纳米天线层的形状和尺寸，能够根据全息图所需相位分布进行选择；

所述偶联极子天线与一个金属纳米天线构成基本组成单元；

所述金属纳米天线为L形金属纳米天线。

2.如权利要求1所述的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，其特征在于：所述全息图的相位分布是通过相位恢复算法得到的。

3.如权利要求1所述的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，其特征在于：所述L形金属纳米天线的形状和尺寸与所述全息图的相位分布的对应关系通过严格耦合波分析法或时域有限差分法确定。

4.如权利要求1所述的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，其特征在于：制备所述多层超颖表面的方法：采用电子束光刻和剥离工艺将金属偶联极子天线加工到基底层上；在金属偶联极子天线之上沉积间隔层；在采用电子束光刻和剥离工艺将金属纳米天线加工到间隔层上，需保证金属偶联极子天线与金属纳米天线的位置关系。

说明书

基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种非互易性的波前调制方法，尤其涉及一种基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，属于微纳光学、全息显示、偏振光学应用技术领域。

背景技术

[0002] 超颖表面通常是由亚波长尺寸的周期、准周期或随机排列的金属或介质纳米天线阵列构成，其波前调控机制并不依赖光的传播过程，而是精心设计每个单元结构，利用其对入射光场的强烈响应来改变局部光场的振幅和相位，以亚波长尺度对光场的振幅与相位进行高分辨率调制，进而实现对近场与远场的调控，产生特殊的光学效应。因此，超颖表面在裁剪并调控光学特性时具有极高的自由度，在数据存储，信息处理，光束整形，微纳全息，偏振控制等领域都具有很大的潜力。其中，将全息原理与超颖表面相结合，把全息图中复杂的振幅和相位分布用二维排布的亚波长结构进行编码的微纳全息术是一个前沿热点领域，该技术能够促进全息器件的微型化，增大信息容量，消除高阶衍射级次，增大视场角等。为了充分利用超颖表面具有的优异的波前调控能力和极高的设计自由度，各种不同几何形状和材料的超颖原子被设计出来作为超颖表面的基本组成单元，且基于超颖表面实现全息显示的各类方案，如偏振复用全息图、纯反射全息图、矢量全息显示等也被陆续提出。另一方面，由于超颖表面具有强烈的光-物质相互作用这一重要特征，且能够通过适当设计的各向异性的谐振超颖原子或纳米天线来引入强烈的双折射现象，使得其在偏振光学中也具有广阔的前景。

[0003] 然而，作为一种二维平面结构，超颖表面在光波传播方向上的非对称性较低，通常遵循互易性定理，因此，在超颖表面光学系统中，背向传播时的透射率往往是与正向相同的。破坏沿传播方向的对称性对于通信系统中的很多光子学器件来说是必不可少的，对于保护激光系统免遭背向反射的破坏等其他许多领域也非常重要。传统的非互易性器件，即光学隔离器，是使用磁化材料，基于法拉第旋光效应进行工作的，但在现代集成光学中，这些磁化材料由于其过大的尺寸而受到了阻碍。近年来，为了提高偏振转换效率或实现特定偏振状态下的非对称传输特性，多层的级联超颖表面系统被提了出来([1]Ji R,Wang S W,Liu X,et al.Giant and broadband circular asymmetric transmission based on two cascading polarization conversion cavities[J].Nanoscale,2016,8(15):8189-8194.[2]Zhao Y,Belkin M A,Alù A.Twisted optical metamaterials for planarized ultrathin broadband circular polarizers[J].Nature communications,2012,3:870.[3]Pfeiffer C,Zhang C,Ray V,et al.High  performance bianisotropic metasurfaces:asymmetric transmission of light[J].Physical review letters,2014,113(2):023902.)。但已报道的多层超颖表面通常仅使用唯一的一种基本组成单元，通过周期性的重复排布这一基本组成单元来覆盖整个超颖表面；或者仅考虑偏振转换效率以及非对称传输性能的提高，不关心出射光波的相位调制情况。这使得这些多层超颖表面仅能实现透过率、反射率或吸收率的非对称传输，但无法同时调制出所需的相位分布，大大限制了这些多层超颖表面的实际应用前景。目前，几乎没有关于非互易性非对称传输的相位调制的研究。

发明内容

[0004] 本发明提供一种基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，该方法能够打破光波传播方向上的空间对称性，在正向和背向传播时表现出不同的波前调控特性，并在获得非互易性非对称传输特性的同时实现全范围的相位调制。将全息图编码到所述的多层超颖表面中，则全息图的再现像只能在特定的偏振和传输方向对应的加密通道中观察到，能够实现非互易性非对称传输的偏振加密的全息显示。

[0005] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

[0006] 为了打破光波传播方向上的空间对称性，使光学系统在正向和背向传播时表现出不同的波前调控特性，首先需要选取合适的超颖原子来组成多层超颖表面。本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称波前调制方法，将超颖表面全息术和非互易性光传播的概念建立在了金属L形纳米天线与金属偶联极子天线的结构基础之上。此后，通过相位恢复算法计算所得的，目标图像所对应的计算机生成全息图被编码到多层超颖表面的各个像素中，由不同形状尺寸的双层金属L形纳米天线-偶联极子天线实现相位调制。偏振通道的选择性则归因于金属偶联极子天线的级联。最后，采用逐层制备工艺，即分次的电子束光刻和剥离工艺加工出级联的多层超颖表面，在金属L形纳米天线与金属偶联极子天线之间通过热蒸镀沉积一层二氧化硅间隔层，并基于全局标记和写入字段标记等不同标记的对准过程实现较为精确的对准。

[0007] 所述多层超颖表面，能够实现非互易性非对称传输，包括基底层、金属偶联极子天线层、间隔层和金属纳米天线层；所述金属偶联极子天线层阵列排布在基底层上；间隔层置于金属偶联极子天线层和金属纳米天线层之间；所述金属纳米天线层的形状和尺寸，能够根据全息图所需相位分布进行选择；

[0008] 所述偶联极子天线与一个金属纳米天线构成基本组成单元；

[0009] 所述金属纳米天线为L形金属纳米天线；

[0010] 采用上述多层超颖表面进行波前调制的方法：通过调整所述多层超颖表面的金属纳米天线的形状和尺寸，能够实现金属纳米天线所在基本组成单元的传输矩阵的非对角元的调制，进而实现正交偏振传输信道的0到2π的全相位调制范围。根据全息图的相位分布，逐一确定所有金属纳米天线的形状和尺寸，即能够将全息图的相位信息编码于所述多层超颖表面；使全息图的再现像只能在特定的偏振和传输方向对应的加密通道中观察到，实现非互易性非对称传输的偏振加密的全息显示。

[0011] 所述全息图的相位分布是通过相位恢复算法得到的；

[0012] 所述L形金属纳米天线的形状和尺寸与所述全息图的相位分布的对应关系通过严格耦合波分析法(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)确定；

[0013] 制备所述多层超颖表面的方法：采用电子束光刻和剥离工艺将金属偶联极子天线加工到基底层上；在金属偶联极子天线之上沉积间隔层；再采用电子束光刻和剥离工艺将金属纳米天线加工到间隔层上，需保证金属偶联极子天线与金属纳米天线的位置关系；

[0014] 有益效果：

[0015] 1、本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，使用级联的金属L形纳米天线与金属偶联极子天线作为基础结构单元，打破了光波传播方向上的空间对称性，获得了单层超颖表面所不具备的非互易性，能够使光学系统在正向和背向传播时根据不同的正交偏振信道表现出不同的波前调制特性。

[0016] 2、本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，能够通过调整金属L形纳米天线的尺寸来实现0到2π的全相位调制，故能够用于编码全息图。将所编码的全息图与该级联多层超颖表面的非互易性非对称传输特性相结合，使再现像只能在特定的偏振状态和入射方向对应的加密通道中被观察到，即能够实现与传播方向相结合的偏振加密全息显示功能，能够应用于全息显示，信息加密等领域。

[0017] 3、本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法中，由不同形状尺寸的双层金属L形纳米天线-偶联极子天线实现相位调控。偏振通道的选择性则归因于金属偶联极子天线的级联。两种结构和各自的功能是相对独立的，故对于加工过程中逐层制备工艺的对准误差容忍性较高。

附图说明

[0018] 图1为本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法的流程图；

[0019] 图2为本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输偏振加密波前调制方法的工作方式示意图；图(a)为正向传播时垂直方向的入射线偏振态转化为水平方向出射线偏振态的正交偏振传输信道的波前调控特性；图(b)为背向传播时垂直方向的入射线偏振态转化为水平方向出射线偏振态的正交偏振传输信道的波前调控特性；

[0020] 图3为本发明公开的多层超颖表面所选用的金属L形纳米天线和金属偶联极子天线的形状尺寸比例示意图，及实施例所加工出的样品的扫描电子显微镜照片；图(a)为金属偶联极子天线的形状尺寸比例示意图；图(b)为金属偶联极子天线的扫描电子显微镜照片；图(c)为金属L形纳米天线的形状尺寸比例示意图；图(d)为金属L形纳米天线的扫描电子显微镜照片；图(e)为多层超颖表面的基本组成单元的形状尺寸比例示意图；图(f)为多层超颖表面的基本组成单元的扫描电子显微镜照片；

[0021] 图4为本发明公开的多层超颖表面所选用的8种不同的基本组成单元对于各个偏振信道的振幅和相位调制效果；图(a)为各个偏振信道的相位调制效果为；图(b)为各个偏振信道的振幅调制效果；

[0022] 图5为实施例所使用的实验装置和本发明公开的多层超颖表面实际再现的全息图像；图(a)为实施例所使用的实验装置示意图；图(b)为实施例所使用多层超颖表面的实际再现的全息图像。

具体实施方式

[0023] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

[0024] 实施例1

[0025] 基于多层超颖表面的非互易性非对称传输偏振加密波前调制方法。

[0026] 如图1所示，本实施例包括如下步骤：

[0027] 步骤一：利用金属L形纳米天线与金属偶联极子天线两种分别具有不同功能的不同微纳结构共同组成级联的多层超颖表面，将两者结合起来引入光传播方向上的空间对称性的破坏，从而引入非互易性。如图2(a)、(b)所示，本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，能够使入射光在正向和背向传播时针对同一组正交偏振传输信道表现出不同的波前调控特性，以实现非互易性的非对称传输。

[0028] 本发明公开的多层超颖表面的非互易性功能能够通过琼斯矩阵的形式进行阐释。级联的两层超颖表面中上方的一层由金属L形纳米天线制成，这些金属L形纳米天线能够将入射线偏振光转化为与入射光处于同偏振态和正交偏振态的两部分。因此，正向传输时，金属L形纳米天线的传输矩阵 将同时包含对角元和非对角元，可写成公式(1)的形式：

[0029]

[0030] 该传输矩阵中的非对角元 和 是正向传播时描述金属L形纳米天线的正交偏振转化率的复传输系数。 对应正向传输时垂直方向的入射线偏振光转化为水平方向出射线偏振光的转化率， 则为正向传输时水平方向的入射线偏振光转化为垂直方向出射线偏振光的转化率。对角元 和 则为正向传播时金属L形纳米天线的水平和垂直偏振态各自的复传输系数。同时，考虑背向传播时发生的坐标变换，以根据正向传播时的传输矩阵写出金属L形纳米天线在背向传输时的传输矩阵 如公式(2)所示：

[0031]

[0032] 该传输矩阵中的非对角元 和 是背向传播时描述金属L形纳米天线的正交偏振转化率的复传输系数。 对应背向传输时垂直方向的入射线偏振光转化为水平方向出射线偏振光的转化率， 则为背向传输时水平方向的入射线偏振光转化为垂直方向出射线偏振光的转化率。对角元 和 则为背向传播时金属L形纳米天线的水平和垂直偏振态各自的复传输系数。由公式(2)可知，相比于正向传输时的情况，背向传输时金属L形纳米天线传输矩阵的对角元保持不变，而非对角元也仅仅发生了符号改变。可见，单层超颖表面在光传播方向上通常具有对称性，无法实现线偏振光的非对称传输。因此，需在金属L形纳米天线下方添加第二层金属偶联极子天线构成多层超颖表面系统，破坏光传播方向上的对称性以实现光学非互易性。若忽略材料的吸收损耗，这一金属偶联极子天线超颖表面层起着偏振器的作用，能够较为理想地反射垂直方向的线偏振光，透射出水平方向的线偏振光。因此，其传输矩阵 能够写为公式(3)的形式：

[0033]

[0034] 该传输矩阵中的非对角元 和 是正向传播时描述金属偶联极子天线的正交偏振转化率的复传输系数。 对应正向传输时垂直方向的入射线偏振光转化为水平方向出射线偏振光的转化率， 则为正向传输时水平方向的入射线偏振光转化为垂直方向出射线偏振光的转化率。对角元 和 则为正向传播时金属偶联极子天线的水平和垂直偏振态各自的复传输系数。

[0035] 根据琼斯矩阵的计算法则，整个多层级联超颖表面系统的总传输矩阵能够通过简单的矩阵乘法进行计算，计算过程中矩阵乘法的顺序由光的传输方向决定，从正向入射变为背向入射时，矩阵乘法的顺序会发生变化。所述的多层级联超颖表面利用了垂直方向的入射线偏振态|V>转化为水平方向出射线偏振态

[0036]

[0037] 类比可知，该正交偏振传输信道背向传播时的总透射率如公式(5)所示：

[0038]

[0039] 由公式(5)能够看出，当垂直方向的线偏振光先照射到金属L形纳米天线再遇到金属偶联极子天线，即正向传输时，所选用的正交偏振信道的透射率是由金属L形纳米天线对应琼斯矩阵的非对角元透射系数 决定的。但是，如公式(6)所示，如果该多层超颖表面系统被翻转，则垂直方向的线偏振光先照射到金属偶联极子天线，即背向传输时，垂直方向的线偏振光会被金属偶联极子天线阻挡，理想情况下透射率为0。

[0040] 同时，通过将入射偏振态和目标偏振态同时旋转90°来改变目标正交偏振信道，即改为利用水平方向的入射线偏振态|H>转化为垂直方向出射线偏振态

[0041] ＝0   (6)

[0042]

[0043] 综上所述，本发明公开的基于多层超颖表面的非互易性非对称传输波前调制方法，选取金属L形纳米天线和金属偶联极子天线作为基本组成单元，通过级联的多层超颖表面系统打破了光波传播方向上的空间对称性，使入射光在正向和背向传播时针对同一正交偏振传输信道表现出不同的波前调控特性，以实现非互易性的非对称传输。

[0044] 步骤二：在步骤一所提出的，由金属L形纳米天线和金属偶联极子天线构成的多层等离子体超颖表面的基础上，通过调整每个基本组成单元中金属L形纳米天线的形状和几何尺寸调制其传输矩阵的非对角元，实现针对正交偏振传输信道的，0到2π的全相位调制范围，以便将通过相位恢复算法算得的全息图的相位分布信息编码于上述多层超颖表面系统之上，使其只能在特定的偏振和方向对应的加密通道中观察到，实现非互易性非对称传输的偏振加密的全息显示。

[0045] 所述的相位恢复，又称PR(phase retrieval)，相位恢复需要利用光场的衍射模型，对输入光场进行衍射计算，得到输出面光场的强度分布，接着，将计算得到的输出面的光场强度与目标场强数据进行比较，以输出面的光场强度与目标场强之间的误差最小为准则，通过搜索或者迭代的方式找到最符合目标场强数据的相位分布。在计算相位全息图时，一般采用迭代法，其中GS(Gerchberg–Saxton)算法是最为常用的一种，这种方法与通过衍射公式直接计算物光波衍射传播到全息图所在平面的解析方法不同，是在全息图平面和物体平面之间构建一个迭代循环，并通过振幅替换在循环中不断优化全息图，最终获得能够满足设计需求的计算机生成全息图的。本发明即采用了GS算法来计算编码到多层超颖表面光学系统上的计算机生成全息图。

[0046] 为了将全息图对应的相位分布信息编码于上述多层超颖表面系统之上，需要通过不同尺寸的金属L形纳米天线来调制每个像素对应的传输相位。为此，需要利用严格耦合波分析法(RCWA)模拟各种几何形状和尺寸的金属L形纳米天线的光学特性，找出具有所需相位调制的对应结构，并将之与金属偶联极子天线相结合，构成具有非互易性非对称传输功能的超颖表面组成单元，以便在确保上述多层超颖表面在可偏振编码的基础上，实现较高转换效率的全相位调制，实现偏振加密功能。针对1150nm的工作波长，能够较为便捷的为金属L形纳米天线找到8组结构参数来线性覆盖0到π的相位范围，而0到2π的全相位覆盖则能够通过90°旋转所选的8种金属L形纳米天线，引入大小为π的附加相位延迟来获得。因此，最终总共能够实现16个不同的相位阶次，用以线性覆盖0到2π的全相位范围，将使用GS算法计算所得的傅立叶全息图编码到该多层超颖表面中。同时，针对正向传输的情况，为了能够再现出高质量且具有偏振选择性的全息再现像，所选的8种超颖表面组成单元在所选正交偏振信道下的透射振幅 需要保持相对均一，且显著大于另一正交偏振信道[0047] 如图3所示，在具体的结构设计和优化过程中，为了增加设计自由度，金属L形纳米天线两条臂的尺寸是分别扫描的，两者的长度能够不同，但宽度始终定为100nm(如图3(c)、(d)所示)。通过此种设计，金属L形纳米天线能够将入射的线偏振光极化转换成不同比例、不同相位调制的水平分量和垂直分量，之后再由间隔为100nm，长和宽分别为450nm和160nm的金属偶联极子天线(如图3(a)、(b)所示)完成偏振态的选择通过功能。在严格耦合波分析(RCWA)中，两层级联微纳天线作为一个整体单元(如图3(e)、(f)所示)的准确性是经过了验证的，因此，该设计中潜在的耦合效应是已被考虑的。为本发明公开的多层等离子体超颖表面所选用的8种不同的基本组成单元对于各个偏振信道的相位和振幅调制效果分别如图4(a)、(b)所示，在正向传播时，针对垂直方向的入射线偏振态转化为水平方向出射线偏振态的正交偏振传输信道，该超颖表面光学系统能够在确保线性覆盖0到2π的全相位调制范围的基础上，保证较高且较为均一的振幅调制。此外，两层超颖表面之间的间隔层厚度被定为了50nm，以确保加工制造过程中金属L形纳米天线和金属偶联极子天线能够实现较为精确的对准，同时确保足够的振幅/相位调制范围。

[0048] 步骤三：采用逐层制备工艺，即分次的电子束光刻和剥离工艺加工出级联的多层超颖表面，在金属L形纳米天线与金属偶联极子天线之间通过热蒸镀沉积一层二氧化硅间隔层，并基于全局标记和写入字段标记等不同标记的对准过程实现较为精确的对准。

[0049] 步骤三具体实现方法包括如下步骤：

[0050] 步骤3.1：构造一个200×200μm大小的区域，使用电子束光刻工艺，用3nm厚的铬作为黏合层，将上文所述的50nm厚的金属偶联极子天线附着于基底之上。

[0051] 步骤3.2：经过剥离处理之后，使用热蒸镀法在金属偶联极子天线之上沉积一层50nm厚的二氧化硅，作为金属L形纳米天线与金属偶联极子天线之间的间隔层。

[0052] 步骤3.3：使用与加工金属偶联极子天线时相同的电子束光刻和剥离工艺加工出金属L形纳米天线，并逐次使用全局标记和写入字段标记等不同对准标记在整个样品区域内实现±50nm的对准精度。这一较高的对准精度确保了两层级联的超颖表面之间的定位方式与设计预期相同。

[0053] 加工完成后，可使用图5(a)所示的光路配置对本发明提出的多层超颖表面进行实验验证。使用可调谐光学参量振荡器(OPO)作为光源，并将波长设置为λ＝1050nm，所需的入射线偏振态能够通过旋转样品前方的半波片获得，再将出射一侧的偏振片旋转到与入射偏振方向正交的位置即可获得正交偏振信道。该光路通过40倍放大率的显微物镜(数值孔径为0.6)捕捉来自多层超颖表面的出射光，并将k空间全息图成像到一台CMOS相机上。图5(b)展示了的不同入射方向和正交偏振信道的实验再现结果。针对垂直方向的入射线偏振态转化为水平方向出射线偏振态的正交偏振传输信道，全息图仅能在正向传播时成功重建，而在背向传播中会被隐藏；而针对水平方向的入射线偏振态转化为垂直方向出射线偏振态的正交偏振传输信道，全息图仅能在背向传播时成功重建，且由于样品的翻转，图像也发生了180°的翻转。实际再现结果与预期结果基本相符，本发明公开的多层超颖表面能够实现非互易性非对称传输偏振加密波前调制的功能。

[0054] 综上所述，本实施例公开的基于多层超颖表面的具有非互易性的非对称传输偏振加密的全息显示方法，使用级联的金属L形纳米天线与金属偶联极子天线作为基础结构单元，打破了光波传播方向上的空间对称性，在获得了非互易的非对称传输特性的同时实现了全范围的相位调制，能够将计算机生成全息图对应的相位信息编码到该超颖表面光学系统中，使再现像只能在特定的偏振状态和入射方向对应的加密通道中被观察到，实现了非互易性非对称传输偏振加密。据此，可实现对图像的偏振加密，应用于全息显示，信息加密等领域。

[0055] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。