三维可重构矢量全息双层级联超构器件、设计方法和设备

本申请涉及全息，尤其涉及三维可重构矢量全息超构器件。

背景技术：

1、全息技术作为一种重建物体三维光场的神奇技术，近年来已渗透到社会的各个领域，在现代科学研究和工业生产中得到广泛应用。最近，基于超构表面的全息技术彻底改变了传统的全息技术，它由亚波长间距的超构单元阵列组成，可以逐点操纵电磁波的特性。其中，矢量超构表面全息(vectorialmetasurfaceholography,vmh)不仅能控制全息图像的复振幅分布，还能任意定制其偏振分布。

2、另一方面，可重构性对于光学加密和动态全息显示等应用至关重要。然而，在上述方法中，一旦确定了超构表面和激励，就不容易实现整体器件的可重构性。总的来说，观测平面上的vmh场分布可表示为

3、

4、其中，uinput(x,y)对应激励的输入波前，umeta(x,y)代表超构表面的功能，h(x,y,z)代表脉冲响应。根据公式(1)，vmh场分布uvmh(x,y,z)主要由uinput(x,y)和umeta(x,y)决定，因此可以通过调整这两项来实现可重构的功能。

5、对于umeta(x,y)的调整主要集中于超构表面单元的可重构特性。许多动态材料例如有源器件，液晶，热收缩形状记忆聚合物，相变材料，微流体等已经被用于超构表面单元的构建。但是这些方法通常伴随着引入额外的控制设备。此外，由于vmh通常通过至少一对具有不同复振幅以及极化态的电磁波的叠加实现，这导致可重构超构表面单元很难实现对vmh的调制。因此，对于umeta(x,y)的调整主要集中于标量全息器件。

6、uinput(x,y)为入射波前的相位以及极化态调整提供了极大的自由度。在不同极化态的入射条件下，通过引入噪声，能够在三维空间中利用单一超构表面实现11个独立的vmh。通过调制螺旋入射波前，轨道角动量(orbitalangularmomentum,oam)全息技术还被应用于10位oam编码全息图，用于高安全性光学加密。此外，角动量全息技术可充分协同oam和自旋角动量(spinangularmomentum,sam)维度，实现自旋轨道锁定全息图和自旋叠加全息图的切换。此外，通过遗传算法优化空间光调制器(spatiallightmodulators,slms)和超构表面的相位分布，可实现整个元素周期表全息图像的切换。然而，现有的入射波前可重构往往涉及更换光源或偏振器等操作，既不方便也无法实现快速切换。因此，探索方便有效的可重构vmh机制仍是一项挑战。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有入射波前可重构往往涉及更换光源或偏振器等操作，既不方便也无法实现快速切换的问题，提供了三维可重构矢量全息双层级联超构器件、设计方法和设备。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，所述器件包括辐射型超构表面rtm和双折射超构表面bm，rtm可旋转，bm不可旋转；

3、rtm和bm对准并级联。

4、进一步地，rtm和bm具有相同的尺寸。

5、进一步地，rtm和bm之间的间距选取大于两倍的工作波长。

6、进一步地，rtm整体结构从上到下依次为金属、介质、金属、介质和金属，其中三层金属分别是辐射层、接地层和馈电层。

7、进一步地，所述辐射层由两个c形开口谐振环组成，直接产生圆极化波辐射；馈电层布置在底层，并通过金属通孔与辐射层相连。

8、进一步地，bm整体结构从上到下为金属、介质、金属、介质和金属。

9、第二方面，本发明提供一种针对如上文所述的三维可重构矢量全息双层级联超构器件的设计方法，所述方法包括：

10、根据观测平面上的矢量超构表面全息vmh场分布建立空间演化过程，进行矢量全息图像重建；

11、输入层中的每个神经元表示为琼斯矢量j2×1，并定义可重构算子r(·)来描述可重构vmh的数学特征，其可重构性通过对rtm辐射场所代表的输入矩阵进行矩阵变换来实现，所述输入矩阵为：

12、

13、其中，为琼斯矢量，n是沿着x和y方向的单元数，r(·)代表某一种矩阵变换；uinput通过衍射理论连接到下一层；

14、隐藏层是一个2×2的琼斯矩阵j2×2：

15、

16、其中，和是沿着x轴和y轴的相位差，相对于参考坐标系旋转了一个角度θ；

17、隐藏层矩阵为：

18、

19、输出层中的每个神经元代表所需平面上vmh的琼斯向量，输出矩阵uvmh的表达式为：

20、

21、通过逆向设计方法，迭代训练各层神经元对应的琼斯矩阵或琼斯向量的矩阵元素，以执行vmh功能。

22、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的方法的步骤。

23、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有多条计算机指令，所述多条计算机指令用于使计算机执行如上文所述的方法。

24、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：

25、至少一个处理器；以及，

26、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

27、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上文所述的方法。

28、本发明的有益效果：

29、本发明提出了一种旋转驱动三维可重构矢量全息双层级联超构器件，可在三维空间实现高度定制的vmh和旋转驱动的动态vmh切换。该器件由旋转rtm和非旋转bm集成。rtm不仅作为圆偏振激励，也是旋转驱动的紧凑入射波前调制器，而bm则用作超构偏振器件来重建vmh图像。通过引入梯度下降优化逆向设计方法建立输入和输出图像之间的琼斯向量关系，从而实现高纯度的矢量全息图像重建。

30、本发明适用于集成式的加密器件以及全息显示超构器件。

技术特征：

1.一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，其特征在于，所述器件包括辐射型超构表面rtm和双折射超构表面bm，rtm可旋转，bm不可旋转；

2.根据权利要求1所述的一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，其特征在于，rtm和bm具有相同的尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，其特征在于，rtm和bm之间的间距选取大于两倍的工作波长。

4.根据权利要求1所述的一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，其特征在于，rtm整体结构从上到下依次为金属、介质、金属、介质和金属，其中三层金属分别是辐射层、接地层和馈电层。

5.根据权利要求4所述的一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，其特征在于，所述辐射层由两个c形开口谐振环组成，直接产生圆极化波辐射；馈电层布置在底层，并通过金属通孔与辐射层相连。

6.根据权利要求1所述的一种三维可重构矢量全息双层级联超构器件，其特征在于，bm整体结构从上到下为金属、介质、金属、介质和金属。

7.一种针对权利要求1-6所述的三维可重构矢量全息双层级联超构器件的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行权利要求7中所述的方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有多条计算机指令，所述多条计算机指令用于使计算机执行权利要求7中所述的方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

技术总结
三维可重构矢量全息双层级联超构器件、设计方法和设备，属于全息技术领域，解决入射波前可重构往往涉及更换光源或偏振器等操作，既不方便也无法实现快速切换问题。本发明的器件包括：辐射型超构表面和双折射超构表面混合级联，全息图在三维空间中的强度和偏振响应是可重新配置且高度定制化的。可旋转的辐射型超构表面可作为入射波前调制器来激发不可旋转的双折射超构表面。通过引入梯度下降优化逆向设计方法，在微波区域演示了三维可重构矢量全息的数值分析和实验验证。本发明适用于集成式的加密器件以及全息显示超构器件。

技术研发人员：祁嘉然,庞诚,王禹忠,余阿祥
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6