基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法

1.本发明涉及一种基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，属于微纳光学、全息显示和信道复用应用技术领域。


背景技术：

2.超颖表面通常由亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成，能够对光场的振幅、相位、偏振、波长和轨道角动量等特性进行高自由度的调制，在微纳全息，彩色印刷，光束整形，边缘检测，光学加密和防伪等领域有着广阔的应用前景。对于超颖表面来说，信息容量是非常重要的属性。作为信息的载体，超颖表面能够在亚波长尺度密集地存储光学信息，其信息容量越高，能够记录的信息就越多。为了提高超颖表面的信息容量，在不增加超颖表面所包含的像素数目的情况下，拓展出额外的信道用以记录更多目标图像的技术称为复用技术。目前比较常见的超颖表面复用技术包括合成谱法、空间复用、位置复用、偏振复用、波长复用和角度复用等，这些方法利用全息算法编写，超颖原子的排布方式、结构特征或波前调制机理等不同途径引入了新的自由度，大大增加了超颖表面的信息容量。
3.然而，对于单层超颖表面来说，由于其相对自身结构平面具有镜像对称性，其自由度的数量是有限的。另一方面，单层超颖表面只能通过设计并排布超颖表面上的超颖原子来提供额外的信息通道，而无法做到信息的物理拆分。近年来，多层超颖表面和级联超颖表面得到了迅速发展，并实现了许多前所未有的功能，其中集成化的多层超颖表面可用于实现多光谱消色差超透镜，图像微分，具有相位调制功能的非对称传输，与传播方向有关的差异化波前调制，与彩色印刷相结合的微纳全息等。而对于组成组件可以被替换、平移或旋转的级联超颖表面，则可用于处理光线传播轨迹，构建焦距可调的莫尔超透镜，实现动态波前调制等。
4.此外，为了促进级联超颖表面在加密防伪和信息安全等领域的实际应用，级联超颖表面全息术开始得到研究人员的重视。但是，现有的级联超颖表面信息容量仍然比较小，多功能性相对较差，在实际应用中受到诸多限制。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有的级联超颖表面信息容量比较小，多功能性相对较差的问题。本发明提供一种基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法；该方法利用两张超颖表面全息图之间的相对面内旋转角度作为一个新的设计自由度，在每张超颖表面全息图能够再现其自身目标图像的同时，把多个处于不同相对面内旋转角度的级联超颖表面视为完全不同的光学系统，在其上对多个不同的全息再现像进行编码；即基于级联超颖表面重建出的多个不同的全息图像，能够通过将级联超颖表面系统中的一张超颖表面全息图绕其自身几何中心的法线旋转来切换。本发明提供的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，能够借助相对面内旋转角度编码大量信息，赋予了级联超颖表面更大的信息容量和更强的多功能性。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，包括如下步骤：
8.步骤一、使用迭代的梯度下降优化算法高效且直接地获得构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图a和b的相位分布。所述的两张超颖表面全息图a和b各自对应一个彼此独立的再现像，且当两张超颖表面全息图以预设距离进行堆叠时，还能够根据不同的相对面内旋转角度再现出多个全新的再现像。
9.所述的使用迭代的梯度下降优化算法得到构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图a和b的相位分布，具体实现方法包括如下步骤：
10.步骤一、计算超颖表面全息图a级联之前对应的再现像c1，将再现像c1与a的目标图像进行对比，计算均方误差e1；
11.步骤二、计算超颖表面全息图b级联之前对应的再现像c2，将再现像c2与b的目标图像进行对比，计算均方误差e2；
12.步骤三、当超颖表面全息图a与超颖表面全息图b进行级联时，将超颖表面全息图b绕其自身几何中心的法线进行原位旋转，获得对应n个不同相对面内旋转角度的n个级联超颖表面系统的n个再现像c
3_1
，c
3_2
，
…
，c
3_n
,分别将再现像c
3_1
，c
3_2
，
…
，c
3_n
与各自的目标图像进行对比，计算均方误差e
3_1
，e
3_2
，
…
，e
3_n
；
13.步骤四、将均方误差e1、e2和e
3_1
，e
3_2
,
…
,e
3_n
加在一起，获得总误差；
14.步骤五、通过步骤四所得总误差得到梯度：所述梯度为总误差对两张超颖表面全息图a和b的相位分布的导数；
15.步骤六、依据步骤五所得梯度，基于adam梯度下降优化算法对两张超颖表面全息图a和b的相位分布进行更新；
16.步骤七、重复步骤一到步骤六，进行多次迭代，在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布，确保最终将梯度收敛至局部最优，找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
17.步骤二、级联超颖表面由反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线排布构成；使用所述介质纳米天线编码所述总误差最小的超颖表面全息图的空间相位分布：所述介质纳米天线排布为空间阵列，通过自身不同面内方位角调制所述空间相位分布。
18.通过介质纳米天线编码步骤一所得的旋转复用级联超颖表面全息图的相位分布。
19.所述编码是通过几何相位调制原理调制相位实现的，具体方法为：使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线，根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角。基于几何相位的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时，能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为
±
2θ的相互共轭的相位调制，其中“+”或
“‑”
是由入射光和出射光的具体偏振态组合(左旋/右旋，右旋/左旋)决定的。
20.步骤三、通过沉积、光刻、剥离和蚀刻方法将介质纳米天线构成的全介质超颖表面全息图a和b加工在不同的玻璃基底上。所述的全介质超颖表面全息图a和b可以通过透镜在远场重建出彼此独立的再现像；同时，当全介质超颖表面全息图a和b以预设距离进行堆叠，组成级联超颖表面系统时，在特定的n个相对面内旋转角度下产生n个全新的再现像，实现基于级联超颖表面全息术的旋转复用。
21.步骤二所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。
22.所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法(rcwa)或时域有限差分法(fdtd)确定。
23.有益效果：
24.1、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，能够赋予级联超颖表面系统极大的信息容量，不仅组成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图各自对应一个彼此独立的再现像，当这两张超颖表面全息图相隔预设距离进行堆叠时，整个级联超颖表面光学系统还能够根据不同的相对面内旋转角度再现出多个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像。
25.2、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法。在加密与防伪领域具有很大的潜力。两张单层超颖表面全息图的再现像与级联超颖表面系统相对旋转前后对应的再现像完全无关，二者之间没有泄露或串扰。只有获知作为复用信道的相对旋转位置，将两张单层超颖表面全息图按照正确的相对面内旋转角度进行堆叠时，加密信息才能够被读取。利用这一特性，该种全介质超颖表面能够应用于需要隐藏保密数据的信息安全，加密和防伪等领域；
26.3、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，能够利用相对面内旋转角度作为一个新的复用维度，把处于不同相对面内旋转角度的级联超颖表面系统视为完全不同的光学系统，在其上对作为加密信息的不同的全息再现像进行编码。实际应用中，旋转复用级联超颖表面系统的全息再现像能够被编码于离散且角向等距的空间位置之上，使其具有用作光学量角器的潜力。
27.4、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，使用一种基于adam优化算法的梯度下降优化算法，该算法可以在优化过程中调整学习率，确保将梯度收敛至局部最优。
附图说明
28.图1为本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法的流程图；
29.图2为本发明公开的基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法所使用的梯度下降优化算法的流程图；
30.图3为实施例1所加工出的旋转复用级联超颖表面样品的扫描电子显微镜照片和所使用的用于观察全息图再现像的实验装置示意图；图(a)为所加工出的旋转复用级联超颖表面样品的扫描电子显微镜照片；图(b)为实验装置示意图；
31.图4为实施例1所加工出的旋转复用级联超颖表面样品的实验再现像；图(a)为两张单层超颖表面全息图各自的实验再现像；图(b)为将两张超颖表面全息图分别以0
°
、90
°
、180
°
和270
°
的面内相对旋转角度堆叠在一起时，所构成的四个级联超颖表面光学系统对应的四个实验再现像。
具体实施方式
32.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。
33.实施例1
34.基于级联超颖表面全息术实现旋转复用，利用相对面内旋转角度作为一个新的复用维度，把相对面内旋转角度为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
的级联超颖表面系统视为完全不同的光学系统，在其上对作为加密信息的不同的全息再现像进行编码。
35.如图1所示，本实施例包括如下步骤：
36.步骤一：使用一种迭代的梯度下降优化算法高效且直接地获得构成旋转复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图a和b的相位分布。
37.使用的迭代的梯度下降优化算法的流程图如图2所示，其具体步骤如下：
38.1)计算超颖表面全息图a级联之前对应的再现像c1，将再现像c1与a的目标图像(字母“π”)进行对比，计算均方误差e1；
39.2)计算超颖表面全息图b级联之前对应的再现像c2，将再现像c2与b的目标图像(“放大镜”)进行对比，计算均方误差e2；
40.3)当超颖表面全息图a与超颖表面全息图b进行级联时，将超颖表面全息图b绕其自身几何中心的法线进行旋转，获得相对面内旋转角度为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
时的4个级联超颖表面系统的4个再现像c
3_1
，c
3_2
，c
3_3
，c
3_4
分别将再现像c
3_1
，c
3_2
，c
3_3
，c
3_4
与各自的目标图像(符号“+”，
“‑”
，
“×”
和
“÷”
)进行对比，计算均方误差e
3_1
，e
3_2
，e
3_3
，e
3_4
；
41.4)将均方误差e1、e2和e
3_1
，e
3_2
，e
3_3
，e
3_4
加在一起，获得总误差；前述过程都在现代机器学习库的自动微分框架内执行，以便跟踪梯度的变化；
42.5)通过步骤4)所得总误差得到梯度：所述梯度为总误差对两张超颖表面全息图a和b的相位分布的导数；
43.6)依据步骤5)所得梯度，基于adam(adaptive moment estimation)梯度下降优化算法对两张超颖表面全息图a和b的相位分布进行更新；
44.7)重复步骤1)到步骤6)，进行多次迭代，在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布，确保最终将梯度收敛至局部最优，找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
45.上述计算过程是一个用显式公式计算的前向过程，其中两个超颖表面之间100微米间隔层的传播使用角谱理论进行模拟，而两张单层超颖表面全息图以及四种级联超颖表面系统对应的全息再现像则通过fft，即快速傅里叶变换计算得到。
46.步骤二：采用严格耦合波分析法或时域有限差分法设计组成超颖表面全息图的介质纳米天线。
47.通过基于严格耦合波分析法和时域有限差分法进行的一系列仿真模拟，选取了非晶硅纳米棒天线作为全介质超颖表面全息图的基本组成单元，使用几何相位调制原理来编码超颖表面全息图的相位分布。
48.在结构设计过程中，非晶硅纳米棒天线的高度固定为600纳米，x和y方向上的周期固定为500纳米，工作波长设置为800纳米，而后在此条件下以5纳米的步长在70纳米到300纳米的范围内扫描了非晶硅纳米棒天线的长度和宽度。由于使用了几何相位调制原理，故应选择在工作波长下具有高反旋圆偏振透射率和低同旋圆偏振透射率的结构尺寸。考虑到制作精度和结构性能的平衡，该实施例选择了长度为195纳米，宽度为130纳米非晶硅纳米棒天线，其扫描电子显微镜照片如图3(a)所示。
49.步骤三：通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程将介质纳米天线构成的两张全介质超颖表面全息图加工在不同的玻璃基底上，相隔预设距离进行堆叠，组成所设计的旋转复用级联超颖表面系统。
50.其具体实现方法包括如下步骤：
51.1)通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，制备600纳米厚的非晶硅薄膜。随后，将聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂层旋涂于非晶硅薄膜上，并在加热板上以170℃烘烤2分钟以去除溶剂；
52.2)用标准电子束光刻法制作出所需的结构，随后在1:3的mibk:ipa溶液中显影样品，并用ipa洗涤，之后通过电子束蒸发涂覆20纳米厚的铬层；
53.3)在热丙酮中完成剥离过程；
54.4)利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(icp-rie)将所需的结构从铬转换为硅，最后使用标准湿法蚀刻工艺去除残余的铬掩模。
55.根据设计，实施例所加工出的全介质超颖表面全息图样品a和b的尺寸为496微米
×
496微米，包含62
×
62个像素，像素尺寸为8微米，每个像素由一个16
×
16的非晶硅纳米棒天线阵列组成，其栅格周期为500纳米。每个非晶硅纳米棒天线的长度为195纳米，宽度为130纳米。选择较大的像素尺寸是为了便于在实验中将级联堆叠的超颖表面对齐。
56.该实施例使用图3(b)所展示的实验装置对加工出的全介质旋转复用级联超颖表面进行实验验证。该实施例加工的样品使用几何相位调制原理实现相位调制，故需要在样品前后分别放置一个线偏振片和四分之一波片的组合，用以制备和选择入射光与透射光所需的圆偏振状态，满足几何相位调制原理独特的手性选择性。样品后方放置了一个显微物镜用以对超颖表面进行放大，且由于重建出的全息再现像位于k空间中，需要再放置一个透镜以便用ccd照相机观察傅里叶平面。
57.实验结果如图4所示，可见全介质超颖表面全息图a和b各自对应一个彼此独立的再现像，即字母“π”和“放大镜”；且当两张全介质超颖表面全息图相隔100微米进行堆叠，相对面内旋转角度为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
时，级联超颖表面系统所对应的再现像分别为符号“+”，
“‑”
，
“×”
和
“÷”
。
58.综上所述，本实施例提供了一种基于级联超颖表面全息术的旋转复用方法，能够利用相对面内旋转角度作为一个新的复用维度，把处于不同相对面内旋转角度的级联超颖表面系统视为完全不同的光学系统，在其上对作为加密信息的不同的全息再现像进行编码，应用于加密和防伪领域。实际应用中，旋转复用级联超颖表面系统的全息再现像可以被编码于离散且角向等距的空间位置之上，这使其具有了用作光学量角器的潜力。
59.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。