應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構及其設計方法技術

本發明專利技術公開了一種應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構及其設計方法，利用硅納米磚的磁共振效應，實現特定波長的高效反射；通過設計不同大小的硅納米磚，使其分別對紅、綠、藍三基色光實現窄帶響應；利用硅納米磚的朝向角對入射光位相進行精密調節，實現位相型傅里葉彩色全息。本發明專利技術工藝簡單，可廣泛用于真彩色顯示、信息存儲、防偽等領域。

【技術實現步驟摘要】
應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構及其設計方法
本專利技術涉及微納光學及光學全息
，尤其涉及一種應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構及其設計方法。
技術介紹
傅里葉計算全息是將全息片的傅里葉譜面設置成目標全息圖像，然后借助于一些優化設計算法設計全息片的位相或振幅分布，實現目標全息圖像。傅里葉全息具有圖案擴展角大、效率高、使用簡單、圖像信噪比較高等突出優點，因此在商業應用中被廣泛采納，比如激光全息鍵盤、體感中的隨機光點發生器等。當前的傅里葉全息主要還是單色光全息，由于其色彩單調，難于滿足消費電子和科學研究的持續需求，因此急需新技術的突破。最近幾年，超材料(metamaterials)成為學術界研究的熱點。這種人工結構材料具有亞波長結構特點，可用于調節入射光的振幅和位相。基于超材料的彩色全息已經有了相關報道[1]，該文描述了鋁納米棒超材料實現傅里葉全息的原理：利用鋁納米棒陣列構造位相單元，再通過控制鋁納米棒幾何尺寸得到所需的位相。然而，由于制造技術的復雜性(需要至少三層金屬或介質薄膜、外加光刻工藝)，使得實現的圖案不僅過于簡單、而且實際效果難于令人滿意，遠遠達不到商業應用的標準。
技術實現思路
針對現有技術存在的問題，本專利技術提供了一種可再現逼真全息圖像且工藝簡單應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構及其設計方法。本專利技術思路為：采用硅納米磚陣列結構實現傅里葉彩色全息，硅納米磚陣列結構包括結構參數不同的三類硅納米磚單元，可分別對紅光、綠光、藍光窄帶響應；通過調節硅納米磚單元中硅納米磚朝向角可對紅光、綠光、藍光位相進行任意調節；通過設計三類硅納米磚單元的排列方式，使紅、綠、藍三種單色全息圖像疊加成傅里葉彩色全息圖像。為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：一、應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構，由第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列和第三硅納米磚單元列交替排列構成，第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列、第三硅納米磚單元列分別由相等數量的第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元排列構成；第一硅納米磚單元由介質基底和介質基底上刻蝕的第一硅納米磚構成，第二硅納米磚單元包括介質基底和介質基底上刻蝕的第二硅納米磚，第三硅納米磚單元包括介質基底和介質基底上刻蝕的第三硅納米磚；第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的幾何尺寸均為亞波長尺度，分別對紅光、綠光、藍光窄帶響應；介質基底為長方體形，其工作面及工作面的相對面為正方形，第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元中介質基底幾何尺寸相同；第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚為具有不同幾何尺寸的長方體形；介質基底和其上刻蝕的硅納米磚的中心點的連線垂直于介質基底工作面；第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚的朝向角分別為全息片中第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚所對應像素點的位相的一半。本專利技術硅納米磚陣列結構中，介質基底、第一硅納米磚、第二硅納米磚和第三硅納米磚的長寬高均為亞波長尺度。本專利技術硅納米磚陣列結構中，可通過控制第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚的朝向角來對所響應波長進行任意位相調節。本專利技術硅納米磚陣列結構中，三個依次排列的第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元構成一個全息片像素，全息片由若干像素排列構成。二、上述硅納米磚陣列結構在傅里葉彩色全息的應用，包括：(1)分別確定紅光、綠光、藍光的主波長；(2)對第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的結構參數分別進行優化：采用電磁仿真法，以左旋圓偏光或右旋圓偏光垂直入射硅納米磚單元工作面，掃描硅納米磚單元的結構參數，滿足優化目標的結構參數即優化的結構參數；所述硅納米磚單元為第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元或第三硅納米磚單元；所述優化目標為：僅在硅納米磚單元對應主波長處響應，且在該對應主波長下交叉偏振轉化效率最高、同向偏振轉化效率最低；在其他兩個主波長下交叉偏振轉化效率最低；所述結構參數包括硅納米磚單元邊長C及其中硅納米磚的長寬高；(3)分別計算第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的周期：根據和計算對主波長λ窄帶響應的硅納米磚單元在x、y方向的周期dx、dy；θx和θy分別表示目標全息圖像在x、y方向上的投影角度，m和n分別表示對主波長λ產生的全息圖像在x、y方向上的像素數，θx、θy、m、n根據目標全息圖像要求確定；所述主波長λ為紅光、綠光或藍光的主波長；(4)分別計算單周期內第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的數量：根據M＝dx/(3C)和N＝dy/C，得單周期內對主波長λ窄帶響應的硅納米磚單元在x、y方向的數量M、N，即單周期內對主波長λ窄帶響應的硅納米磚單元總數量為M×N；所述主波長λ為紅光、綠光或藍光的主波長；(5)根據應用需求選擇優化指標，采用位相分布優化法分別獲得第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚所對應像素點的位相分布優化，從而獲得其中各第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚的朝向角；(6)根據單周期內第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的數量，將第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元分別排列成第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列、第三硅納米磚單元列，第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列、第三硅納米磚單元列交替排列。對紅光的主波長窄帶響應的硅納米磚單元即第一硅納米磚單元，對綠光的主波長窄帶響應的硅納米磚單元即第二硅納米磚單元，對藍光的主波長窄帶響應的硅納米磚單元即第三硅納米磚單元。本專利技術涉及如下技術原理：(1)硅納米磚單元電磁共振實現窄帶響應尺寸在亞波長量級的電介質納米顆粒已被證明具有納米天線的散射特性[2]，這種電介質納米顆粒具有自己的電偶極子振蕩頻率，當入射光頻率與電偶極子振蕩頻率一致時，將引起磁共振和/或電共振的現象。這種現象的對外表現是入射光將大部分被反射，且反射率具有很強的波長敏感性。由于電偶極子的振蕩頻率與電介質納米顆粒的幾何尺寸密切聯系，因此可通過控制電介質納米顆粒的幾何尺寸來控制其響應波長。(2)硅納米磚位相調節硅納米磚上建立工作面坐標系xoy，硅納米磚長邊方向代表長軸，其短邊方向代表短軸，長軸與x軸的夾角為朝向角φ，朝向角φ用于調節位相。入射于硅納米磚的左旋圓偏光束或右旋圓偏光束，反射光旋向相反，同時將經歷2φ的位相延遲。因此通過調整φ大小，即通過調整硅納米磚在工作面坐標系xoy平面的朝向角，就可調節和控制反射光的位相。和現有傅里葉彩色全息技術相比，本專利技術具有以下優點和積極效果：(1)只需改變硅納米磚的朝向角即可實現2π范圍內位相調制，可等效于任意臺階數的浮雕位相調制結構；工藝簡單，對加工誤差容忍度好，具有很高的穩定性與可靠性。(2)結構參數不同的三類硅納米磚單元分別對紅光、綠光、藍光窄帶響應，每一類硅納米磚單元只對一種單色光進行位相調制，不同顏色的單色光間無串擾。(3)產生的紅、綠、藍三種單色全息圖像共光軸，故能在很大的深度范圍內保持傅里葉彩色全息圖像良好的清晰度。(4)僅需要簡單的二臺階微光學工藝，即可實現連續位相調制和傅里葉彩色全息功能，是激光全息領域的突破，可廣泛用于真彩色顯示、信息存儲、防偽等領域。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構，其特征是：由第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列和第三硅納米磚單元列交替排列構成，第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列、第三硅納米磚單元列分別由相等數量的第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元排列構成；第一硅納米磚單元由介質基底和介質基底上刻蝕的第一硅納米磚構成，第二硅納米磚單元包括介質基底和介質基底上刻蝕的第二硅納米磚，第三硅納米磚單元包括介質基底和介質基底上刻蝕的第三硅納米磚；第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的幾何尺寸均為亞波長尺度，分別對紅光、綠光、藍光窄帶響應；介質基底為長方體形，其工作面及工作面的相對面為正方形，第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元中介質基底幾何尺寸相同；第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚為具有不同幾何尺寸的長方體形；介質基底和其上刻蝕的硅納米磚的中心點的連線垂直于介質基底工作面；第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚的朝向角分別為全息片中第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚所對應像素點的位相的一半。

【技術特征摘要】
1.應用于傅里葉彩色全息的硅納米磚陣列結構，其特征是：由第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列和第三硅納米磚單元列交替排列構成，第一硅納米磚單元列、第二硅納米磚單元列、第三硅納米磚單元列分別由相等數量的第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元排列構成；第一硅納米磚單元由介質基底和介質基底上刻蝕的第一硅納米磚構成，第二硅納米磚單元包括介質基底和介質基底上刻蝕的第二硅納米磚，第三硅納米磚單元包括介質基底和介質基底上刻蝕的第三硅納米磚；第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的幾何尺寸均為亞波長尺度，分別對紅光、綠光、藍光窄帶響應；利用第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚的磁共振或電共振，來分別實現對紅光、綠光、藍光的窄帶響應反射；介質基底為長方體形，其工作面及工作面的相對面為正方形，第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元中介質基底幾何尺寸相同；第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚為具有不同幾何尺寸的長方體形；介質基底和其上刻蝕的硅納米磚的中心點的連線垂直于介質基底工作面；第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚的朝向角分別為全息片中第一硅納米磚、第二硅納米磚、第三硅納米磚所對應像素點的位相的一半。2.權利要求1所述的硅納米磚陣列結構的設計方法，其特征是，包括：(1)分別確定紅光、綠光、藍光的主波長；(2)對第一硅納米磚單元、第二硅納米磚單元、第三硅納米磚單元的結構參數分別進行優化：采用電磁仿真法，以左旋圓偏光或右旋圓偏光垂直入射硅納米磚單元工作面，掃描硅納米磚單元的結構參數，滿足優化目標的結構參數即優化的結構參數；所述硅納米磚單元...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭國興，李子樂，吳偉標，呂良宇，王宇，劉國根，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42