本发明属于微纳光学、偏振光学以及光学全息技术领域，尤其涉及一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：偏振复用全息元件对入射光的偏振特性十分敏感，可以通过对入射光电场偏振方向的不同重现不同的全息图样，从而实现各种不同的应用，例如图像处理、偏振检测、信息存储、光学加密等。传统的偏振全息元件的制造主要是基于天然材料的双折射特性或者在各向同性的基底上刻蚀亚波长的周期性结构实现的有效双折射特性。尽管使用双折射晶体可以用来制备偏振光学器件，但却受限于晶体种类及尺寸；具有亚波长结构的人工材料可以提供一种选择性的方法来增强和控制双折射特性，但强各向异性要求高的深宽比，特殊的刻蚀和分辨率要求则增大了加工难度。通常传统偏振全息器件的带宽很窄，当入射光波长改变时相位函数和衍射效率都会发生改变。此外传统偏振全息器件价格昂贵，工艺复杂，且体积大、重量重，不适合光集成，无法满足未来光子器件的发展趋势。超表面，一种二维超材料，由亚波长的等离子体或电介质基元组成的薄层工程界面，可以用来操控光的振幅、相位和偏振特性；由于其独特的性能，已经引起了物理和器件研究领域广泛的关注，其中一个重要的应用就是全息术。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)使用双折射晶体可以用来制备偏振光学器件，但却受限于晶体种类及尺寸。
(2)具有亚波长结构的人工材料可以提供一种选择性的方法来增强和控制双折射特性，但强各向异性要求高的深宽比，特殊的刻蚀和分辨率要求则增大了加工难度。
(3)传统的偏振全息器件响应带宽窄，入射光波长改变时相位函数和衍射效率都会发生改变。
(4)传统的偏振全息器件价格昂贵，工艺复杂，体积大，重量重，不适合光集成，无法满足未来光子器件的发展趋势。
解决上述技术问题的难度和意义：利用二维超表面实现偏振全息，只需要改变单元结构中纳米天线的短轴尺寸的大小，即可实现0～2π的相位调制，不需要对材料的深度进行刻蚀，大大降低了加工难度。本发明提高了全息图像的分辨率；可选取常用的材料例如玻璃或硅作为基材，实现高透过率；具有宽带响应；超表面结构单元的几何参数均为亚波长尺寸，体积小、重量轻，易集成，满足未来光学器件的发展趋势。
技术实现要素：
针对现有技术存在偏振全息技术不足的问题，本发明提供了一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法。结合超表面的理论，通过优化基元结构参数，提供了一种简单、高效、易于集成的符合光学器件发展趋势的透射式全介质超表面偏振复用全息成像方法。
本发明是这样实现的，一种基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法，所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法包括：选取响应的主波长；以水平和垂直偏振光分别照射纳米天线单元基本结构，得到纳米天线单元结构的几何参数；确定主波长响应的单元结构的相位分布、单元结构内硅纳米天线短轴w的大小、水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数；确定每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息；采用波长为λ的水平偏振光和垂直偏振光分别照射合成的硅纳米天线阵列，重建不同的全息图像。
进一步，所述纳米天线单元结构的几何参数以透过率、响应带宽以及相位变化梯度为优化目标，确定满足优化条件的单元结构二氧化硅衬底的边长l，厚度t,纳米天线的长轴l，高h，短轴w；w的尺寸不固定，随着透射相位的变化而变化。
进一步，采用gs相位恢复算法，得到对主波长响应的单元结构的相位分布，得到单元结构内硅纳米天线短轴w的大小，得到对水平偏振和垂直偏振光具有响应的两种基元结构几何参数。
进一步，所述gs相位恢复算法具体包括：
(1)在入射平面处，给定入射光场一个初始随机相位，正向傅里叶变换，得到输出平面处的光场分布；
(2)对输出平面处的光场施加限制，把振幅替换成期望得到的振幅，同时保持相位不变，做逆傅里叶变换，得到输入平面的光场分布；
(3)对输入平面的光场施加限制，振幅替换为1，同时保持相位不变，做傅里叶变换，得到输出平面的光场分布；
(4)重复(2)和(3)，直到输出平面光场收敛，达到预设的目标振幅，跳出循环；得到输入平面的相位分布。
进一步，采用达曼光栅的方法把每个基元的像素点扩展为2×2阵列，把对水平偏振和垂直偏振响应的基元结构a和b交叉填充在2×2阵列上，作为一个大的像素单元，得到的每个像素单元包含的对水平偏振光响应的信息和对垂直偏振光响应的信息。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的透射式的全介质超表面偏振复用全息元件，所述透射式的全介质超表面偏振复用全息元件包括：
二氧化硅衬底层及衬底上均匀排布的硅纳米天线阵列；
每个纳米天线与其对应的基底构成基元结构；
所述基元结构包括对水平偏振和垂直偏振具有宽带响应的基元结构a和基元结构b；正交偏振的基元结构a和基元结构b基元结构依次交替排列，规则地填充在2×2的阵列结构单元上；偏振全息元件的一个像素单元，记录对水平和垂直偏振光响应的信息；每种结构的纳米天线只对一种偏振光进行调制，不同偏振类型的光之间不串扰，进行偏振全息。
进一步，纳米天线结构的长边方向代表长轴，短边代表短轴，长轴的方向与x轴的夹角为0°或者90°；
所述单元结构的基底长度与宽度相同，且均为亚波长尺寸。
所述硅纳米天线为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸；每一个硅纳米结构天线的长轴均相等，短轴随着目标相位的变化而变化；
所述硅纳米天线的长轴大小与单元结构基底的边长大小相等。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的图像处理系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的偏振检测系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于透射式全介质超表面的偏振复用全息成像方法的信息存储系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：相比较传统的偏振复用全息元件，本发明只需要改变硅纳米天线的短轴大小即可实现0～2π的相位调制，可等效于任意台阶数的浮雕位相调制结构，原材料充裕，工艺简单，对加工误差容忍度好，具有很高的稳定性和可靠性。基元结构a和基元结构b分别对水平和垂直偏振光具有宽带响应，每一种结构参数的纳米天线只对一种偏振方向的光进行调制(对同一种偏振光响应的纳米天线的长轴方向始终与偏振方向相同，且大小保持不变，短轴的大小不定，随空间分布)，不同偏振的光之间没有串扰。产生的两种偏振的全息图像共轴，故能在很大的深度范围内保持良好的清晰度。
本发明偏振全息方法基于透射式的全介质超表面，相比较之前反射式的等离子体超表面，具有低损耗、高成像质量。采用本发明中一种利用上述透射式硅纳米天线阵列实现偏振全息的方法得到的水平、垂直偏振全息仿真结果分别如图7和图8所示。此偏振全息元件响应带宽大，在600nm-700nm频段范围内均可实现上述偏振全息；此外，利用上述提到的方法得到的偏振全息元件设计灵活，通过改变硅纳米天线阵列的几何参数，可以实现任意工作波长的透射式全介质超表面偏振全息元件。
附图说明
图1是本发明实施例提供的单元结构示意图。
图2是本发明实施例提供的经过仿真优化得到的相位和透过率随纳米天线短轴变化的曲线图。
图3为本发明实施例提供的8个相位阶段的纳米天线示意图。
图中：1、硅纳米天线；2、二氧化硅基底；l为单元结构基底的边长和纳米天线长轴的大小；t为衬底厚度；w为纳米天线的短轴尺寸；h为纳米天线的高。
图4为本发明实施例提供的gs相位恢复算法流程图。
图5为本发明实施例提供的两种基元的排列方式及编码流程图。
图6为本发明实施例提供的偏振全息元件的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的得到的水平偏振光全息仿真效果图。
图8为本发明实施例提供的得到的垂直偏振光全息仿真效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明得到的偏振全息元件设计灵活，通过改变硅纳米天线阵列的几何参数，可以实现任意工作波长的透射式全介质超表面偏振全息元件。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明利用硅纳米天线阵列构造偏振全息元件的实施过程，包括：
第一步，确定偏振全息元件的基本结构单元，并选取响应的主波长λ＝632.8nm。
确定的偏振全息元件的基本结构单元如图1所示，1表示硅纳米天线，2表示二氧化硅基底；依据工作波长，考虑材料透过率和制备等因素，选择熔融石英玻璃和多晶硅作为组成基本结构单元的材料。
第二步，依据工作主波长，确定硅纳米天线单元的结构参数。
所述的结构参数包括各硅纳米天线的长轴、短轴、高度以及单元结构的边长及衬底厚度。本步骤采用电磁仿真软件平台fdtdsolutions进行仿真。仿真以水平和垂直的线偏振光分别垂直纳米天线阵列入射，以透过率、响应带宽以及相位变化梯度作为优化条件，确定单元结构长宽尺寸l，衬底层厚度t，硅纳米天线的长轴l、短轴w、高度h。
经过优化计算，得到结构参数为：单元结构的边长为200nm，纳米天线的长轴为200nm,高为320nm，短轴的长度为20到125nm不等，随着目标相位的变化而变化，长轴的方向与其响应波长的偏振方向一致，模拟计算得到的相位和透过率随短轴大小变化的规律如图2所示，发现随着短轴方向的尺寸由20nm增加到125nm，相位可以实现0到2π的变化，尽管随着短轴尺寸的变化，振幅变化剧烈，但是整个超表面的透过率可达到80％以上。
为了避免相邻硅纳米天线之间的近场耦合，选择8个台阶的相位分布(间隔为45°)代替持续的相位变化，如图3所示。对于基元结构a，l＝200nm,h＝600nm,w分别为20nm、27nm、35nm、45nm、56nm、68nm、83nm和125nm，对于基元结构b，l＝200nm,h＝600nm,w分别为20nm、27nm、35nm、45nm、56nm、68nm、83nm和125nm，基元结构a和b的短轴方向互相垂直；二氧化硅基底的参数为l×l×t(200nm×200nm×500nm)始终保持不变。
第三步，计算偏振全息元件硅纳米天线单元的相位分布。
可采用经典的算法完成，如gs算法、模拟退火法、杨-顾算法等，以衍射效率、信噪比、均匀性等为主要优化目标。本发明将采用gs算法(流程图如图4所示)，依次计算出主波长对应的水平和垂直偏振情况下的相位分布。
第四步，把计算得到的相位花样编码在超表面上，即把相位分布转化为对应的超表面基元的几何参数，流程图如图5所示。
第五步，为了减小计算机仿真内存的需要，以及在尽可能低的像素下重现较清晰的图像，选择结构阵列x方向和y方向的硅纳米天线的数量为m＝80,n＝80，整个偏振全息元件的尺寸为16μm×16μm，由于本实例中的微纳结构天线阵列的数量过于庞大，图6只给出了偏振全息元件的示意图。
第六步，在主波长对应的垂直和水平偏振光的分别照射下，偏振全息元件可以重建出不同的图样。
本发明实施例提供的透射式的全介质超表面偏振复用全息元件，包括两部分组成：二氧化硅衬底层及衬底上均匀排布的硅纳米天线阵列。每个纳米天线与其对应的基底构成基元结构。该基元结构包括对水平偏振和垂直偏振具有宽带响应的基元结构，记为基元结构a和基元结构b。两种正交偏振的基元结构依次交替排列，规则地填充在2×2的阵列结构单元上，作为偏振全息元件的一个像素单元，记录着对水平和垂直偏振光响应的信息，每种结构的纳米天线只对一种偏振光进行调制，不同偏振类型的光之间没有串扰，从而实现偏振全息。
在纳米天线层上建立xoy坐标系，如图1所示，定义纳米天线结构的长边方向代表长轴，短边代表短轴，长轴的方向与x轴的夹角为0°或者90°，与其响应波长的偏振方向始终一致。1-硅纳米天线；2-二氧化硅基底；l为单元结构基底的边长和纳米天线长轴的大小；t为衬底厚度；w为纳米天线的短轴尺寸；h为纳米天线的高。
所述的单元结构的基底长度与宽度相同，且均为亚波长尺寸。
所述的硅纳米天线为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸；每一个硅纳米结构天线的长轴均相等，短轴随着目标相位的变化而变化。
所述的硅纳米天线的长轴大小与单元结构基底的边长大小相等。
所述的硅纳米天线的相位由gs相位恢复算法计算得到。
所述的基元结构a和基元结构b分别对水平和垂直偏振方向的光具有响应。
所述的入射光必须为线偏振光，且垂直照射在天线阵列表面。
所述的衬底材料为二氧化硅，纳米天线材料为多晶硅，价格低廉且易制备。所述的纳米天线阵列可采用标准光刻技术制备：1)沉积硅天线材料薄膜层；2)涂镀光刻胶；3)电子束曝光；4)显影；5)离子束刻蚀。
所述的衬底层可采用标准薄膜生长工艺：如化学气相沉积法等。
下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。
采用本发明中一种利用上述透射式硅纳米天线阵列实现偏振全息的方法得到的水平、垂直偏振全息仿真结果分别如图7和图8所示。此偏振全息元件响应带宽大，在600nm-700nm频段范围内均可实现上述偏振全息；此外，利用上述提到的方法得到的偏振全息元件设计灵活，通过改变硅纳米天线阵列的几何参数，可以实现任意工作波长的透射式全介质超表面偏振全息元件。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。