水印防伪超表面及其设计方法与流程

本发明属于微纳光学和偏振光学领域，具体涉及一种水印防伪超表面及其设计方法。

背景技术：

图像防伪是光学领域非常重要的一个方向。利用超表面图像水印防伪大多通过不同图像的变换来实现，但是这并不是真正的“水印”，因为原图像在变换过程中往往会消失，而不是在原图像上再叠加水印图案；另外，传统图像显示分辨率较低，图像面积较大且比较显眼，又由于没有相应的编码及解码过程，在应用于防伪时安全性较低。

技术实现要素：

针对传统图像防伪的不足，本发明结合偏振理论，通过设计银纳米砖阵列从而提供一种能够高效地实现水印防伪的超表面及其设计方法。

本发明的目的之一在于提供一种实现水印防伪的超表面，所述超表面利用马吕斯定律i＝i0cos²(θ)及其相关变式，转角进行优化，首次通过单一几何尺寸的纳米砖单元结构阵列，实现近场单色的水印图案与无水印图案显示以及彩色的水印图案。且本发明结构简单，易于加工。本发明在光学防伪、图像隐藏、高分辨率单色及彩色图像显示、信息复用等方面具有很好的应用潜力；

本发明的目的之二在于提供一种实现水印防伪的超表面的设计方法，通过利用马吕斯定律的不同转角能够产生同一光强这一特性以及不同入射条件下光强的差异性，巧妙地实现了近场单色水印图案的叠加以及彩色带水印图案的显示；

为实现上述目的，本发明的方案如下：

第一方面，本发明提供一种实现水印防伪的超表面，其特征在于：

所述超表面由能够同时对红光和绿光响应的纳米砖形成纳米砖单元阵列，不同纳米砖单元结构之间的间隔为周期cs，不同位置的纳米砖单元对应不同的转角；

纳米砖单元结构对线偏光作用相当于起偏器；当入射红绿线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光将反射，绿光将透射；当入射红绿线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光将反射，红光将透射；

当入射光源是绿光时，依次通过一个偏振方向为0°的起偏器、所述水印防伪超表面和一个偏振方向为90°的检偏器时，将在样片表面观察到一幅单色连续灰度图案；将检偏器偏振方向转为135°，将看到单色灰度图案不变，但是在表面又叠加了一层防伪水印；

当入射光源为红绿双色光时，依次通过一个偏振方向为0°的起偏器、所述水印防伪超表面和一个偏振方向为0°的检偏器时，将在样片表面观察到一幅叠加了防伪水印且为彩色的图案；

所述偏振方向是相对于x轴而言；

第二方面，本发明提供一种如上述实现水印防伪的超表面的设计方法，其特征在于：包含以下步骤：

(1)根据选定的两种入射光波长，通过电磁仿真软件，当入射线偏光垂直照射纳米砖单元时，沿长轴偏振的红光反射效率高，绿光透射效率高；沿短轴偏振的红光透射效率高，绿光反射效率高为目标，优化出纳米砖单元结构的周期cs、纳米砖单元结构的宽度w，长度l，和高度h；

(2)考虑单色绿光入射的情况，定义纳米砖的转角θ为纳米砖长轴和x轴的夹角，当起偏器偏振方向为0°，检偏器方向为90°；则反射绿光光强为i1＝i0sin²(2θ)，反射绿光光强i1为θ的函数，且周期为π/2，这意味着在0～π之间，根据这种入射情况下的单色目标图案，每个像素点的灰度可以有四个不同的转角作为候选转角；旋转检偏器至135°，则反射绿光光强为观察光强i1和i2的函数图像，会发现0＜θ＜π/8时，i1≈i2；3π/8＜θ＜π/2时，i1＜i2；7π/8＜θ＜π时，i1＞i2。而对于光强i1而言，区间0＜θ＜π/8，3π/8＜θ＜π/2，7π/8＜θ＜π对应的强度正好是相等的，因此当入射情况改为第二种时，我们在希望叠加暗水印的区域选择转角范围7π/8＜θ＜π；在希望叠加亮水印的区域，选择转角范围3π/8＜θ＜π/2；在希望不叠加水印的区域，选择转角范围0＜θ＜π/8；由此实现单色光入射情况下，检偏器从90°转到135°时，能够在原图不变的基础上叠加亮与暗两种水印；于此同时，由于所设计的纳米砖能够对红绿光同时响应，当入射光为红绿光，且起检偏器均为0°时，样片表面能够观察到一幅颜色介于红绿之间的彩色图案；

(3)根据步骤(2)确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备水印防伪超表面；

(4)当入射光为绿光，起偏器偏振方向为0°，检偏器方向为90°时，将在近场观察到一幅单色图案；将检偏器旋转至135°，将看到单色图案上叠加了亮和暗两种水印；将入射光切换为红绿光，检偏器旋转至0°，将看到一幅水印与背景颜色不同的图片；

本发明的优点及有益效果：

本发明的水印防伪超表面能够通过检偏器偏振角度的变换实现真正的水印，即原图案不变，在此基础上叠加图案；此外，在双色入射光照射下，本发明还能实现彩色水印图案，且分辨率能够达到74000dpi，超过传统图像显示以及普通超表面彩色图案分辨率。具体为：

(1)所提供的水印防伪超表面在单色光入射情况下，通过旋转检偏器能够实现目标图案上水印的消失与重现，具有防伪功能；

(2)所提供的水印防伪超表面在红绿光入射情况下，能够实现彩色带水印图案；

(3)和传统图像显示相比，本发明所提供的图案分辨率大大提升，且需要解码过程，不同入射条件下有不同图案，具有一定的保密性；

(4)和传统图像显示器件相比，本发明近远场复用超表面具有体积小、成本低、重量小、能够实现动态调制的优点；

(5)具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域；

(6)金属纳米砖阵列结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单；

(7)为图像显示和加密的设计和制备提供了一种新思路，具有极大的参考价值和应用前景。

附图说明

图1是实施例1中水印防伪超表面的结构单元示意图，转角θ定义为纳米砖长轴和x轴的夹角；

图2是实施例1中部分银纳米砖阵列结构的三维结构示意图；

图3是实施例1中银纳米砖阵列对入射光的仿真结果图，其中x轴为波长，y轴为反射效率，包括长轴反射效率和短轴反射效率。

图4是实施例1中对近场图案进行解码的光路示意图；

图5是单色光入射时的纳米印刷图；图(a)为检偏器90°时的单色图；图(b)为检偏器135°时叠加水印的图案；

图6是双色光入射时的彩色带水印图案；

图中：1、纳米砖；2、衬底；l、纳米砖长轴尺寸；w、纳米砖短轴尺寸；h、纳米砖高度，cs、纳米砖的间距。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。

本发明实施例提供一种实现水印防伪的超表面，该超表面由透明基底及刻蚀在基底表面的纳米单元阵列构成，纳米单元阵列包括多个纳米单元结构(本实施例中所述纳米单元结构为银纳米砖)，通过设计实现单色图像水印的消失与再现以及彩色带水印图像的显示。

(1)图1～2示出了的银纳米砖阵列结构，包括二层，从上至下依次为银纳米砖1，衬底2。其中，银纳米砖阵列1由银纳米砖单元结构周期性排列构成，银纳米砖为长方体，且其长宽高均为亚波长尺寸。单个银纳米砖单元的结构见图1。本实施例中，衬底2为二氧化硅衬底。

作为实施例，选取510nm和620nm作为工作波长，采用现有的cststudiosuite电磁仿真工具，在工作波长下优化银纳米砖单元的结构，使得入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光反射效率最高；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光反射效率最高；通过转动本纳米砖阵列结构，可以实现反射光从红光到绿光的变化。本实施例中，优化后的银纳米砖长l＝140nm，宽w＝85nm，厚h＝70nm，单元结构内，cs＝340nm；仿真得到的偏振效率图如图3所示，沿长轴偏振的红光反射效率达到90％，沿短轴偏振的绿光反射效率达到70％；

(2)考虑单色绿光入射的情况，定义纳米砖的转角θ为纳米砖长轴和x轴的夹角，当起偏器偏振方向为0°，检偏器方向为90°；则反射绿光光强为i1＝iosin²(2θ)，反射绿光光强i1为θ的函数，且周期为π/2，这意味着在0～π之间，根据这种入射情况下的单色目标图案，每个像素点的灰度可以有四个不同的转角作为候选转角；旋转检偏器至135°，则反射绿光光强为观察光强i1和i2的函数图像，会发现0＜θ＜π/8时，i1≈i2；3π/8＜θ＜π/2时，i1＜i2；7π/8＜θ＜π时，i1＞i2。而对于光强i1而言，区间0＜θ＜π/8，3π/8＜θ＜π/2，7π/8＜θ＜π对应的强度正好是相等的，因此当入射情况改为第二种时，我们在希望叠加暗水印的区域选择转角范围7π/8＜θ＜π；在希望叠加亮水印的区域，选择转角范围3π/8＜θ＜π/2；在希望不叠加水印的区域，选择转角范围0＜θ＜π/8；由此实现单色光入射情况下，检偏器从90°转到135°时，能够在原图不变的基础上叠加亮与暗两种水印；于此同时，由于所设计的纳米砖能够对红绿光同时响应，当入射光为红绿光，且起检偏器均为0°时，样片表面能够观察到一幅颜色介于红绿之间的彩色图案；

(3)根据步骤(2)确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备水印防伪超表面；

(4)光路图如图4所示；当入射光为绿光，起偏器偏振方向为0°，检偏器方向为90°时，将在近场观察到一幅单色图案；将检偏器旋转至135°，将看到单色图案上叠加了亮和暗两种水印，如图5所示；将入射光切换为红绿光，检偏器旋转至0°，将看到一幅水印与背景颜色不同的图片，如图6所示；

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。