片上集成超表面及其设计方法、应用

本发明属于微纳光学，更具体地，涉及片上集成超表面及其设计方法、应用。

背景技术：

1、基于光波导片上传输的集成光路应用具有操控面内导波的能力，为光信息的高速处理提供了一种方案。为了扩展集成光路器件的调控维度和光学功能，新兴的可集成光学元件，如超表面，开始基于光波导平台进行开发和组合。

2、传统的光学超表面是一种人工结构化的平面光学器件，通常设计工作在自由空间中，具有突出的操纵光相位、振幅和偏振的能力，可实现各种光学应用，包括光束转向、传感、成像和全息术。最近，在波导上方集成超表面(也称为片上超表面或片上集成超表面)已被应用实现导波和自由空间波之间的调制和转换，为扩展操纵维度和减小器件尺寸开辟了新途径。片上波导集成超表面由于其高集成度、无直接零级干扰等特点，提供了一种新的导波驱动全息术实现方法，在增强现实等下一代显示应用中具有巨大潜力。由于片上集成超表面的高设计自由度，已有多种用来扩展全息信息容量的操纵和复用方法得到提出和研究。然而，以往大多数片上超表面全息仅限于二维单色显示。

3、多色全息术的传统超表面设计利用具有波长选择性响应的复杂结构，会显著增加片上波导集成器件的设计制造难度。因此，设计得到可实现三维彩色全息的片上波导集成超表面具有显著的研究意义和实用价值。

技术实现思路

1、本发明通过提供片上集成超表面及其设计方法、应用，解决现有技术中利用片上集成超表面实现的全息仅限于二维单色显示的问题。

2、第一方面，本发明提供一种片上集成超表面的设计方法，包括：构建形成片上集成超表面的单元结构，所述单元结构包括平面基底、位于所述平面基底上方的波导层和设置在所述波导层的工作面上的纳米结构，所述片上集成超表面包含的所有纳米结构的尺寸相同；选取满足设计数量的多幅三维彩色目标图像，所述多幅三维彩色目标图像的颜色分量均对应于选定的若干种工作波长；将所述纳米结构在各自所属单元结构中的位置作为第一相位影响因素，将不同工作波长的输入导波在所述波导层中的传输相位作为第二相位影响因素；基于所述多幅三维彩色目标图像，结合所述第一相位影响因素和所述第二相位影响因素确定若干个单元结构中纳米结构的位置，排布后得到设计好的片上集成超表面。

3、优选的，所述纳米结构为长方体柱状结构；以平行于所述波导层的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米结构的长轴、短轴均与所述波导层的工作面平行；所述单元结构沿x轴方向、y轴方向的周期分别为px、py；波导传输方向为沿x轴方向时，第i种工作波长λi对应的相位调制表示为：φd+βix；其中，φd表示迂回相位；βi表示第i种工作波长λi对应的传播常数，βix表示第i传输相位。

4、优选的，所述迂回相位表示为：φd＝2πδx/px；其中，δx表示纳米结构在各自所属单元结构中沿波导传输方向的坐标位置。

5、优选的，所述多幅三维彩色目标图像的颜色分量均为红、绿、蓝三色，三种工作波长λ1、λ2和λ3对应的相位调制分别表示为：φd+β1x、φd+β2x和φd+β3x。

6、优选的，利用逆向优化算法和光学衍射计算方法，计算得到所述片上集成超表面的迂回相位分布。

7、优选的，所述逆向优化算法采用模拟退火算法或梯度下降算法，所述光学衍射计算方法采用角谱传输法。

8、优选的，所述平面基底的材料采用二氧化硅，所述波导层的材料采用氮化硅，所述纳米结构的材料采用硅或二氧化钛。

9、第二方面，本发明提供一种片上集成超表面，采用上述的片上集成超表面的设计方法得到。

10、第三方面，本发明提供一种片上集成超表面的应用，采用选定的若干种工作波长的激光沿波导传输方向耦合入射至上述的片上集成超表面中的波导层进行传输，在所述片上集成超表面的上方利用显微镜进行观察，通过调节所述显微镜的物镜的工作距离，能够依次观察到满足设计数量的多幅三维彩色目标图像。

11、第四方面，本发明提供另一种片上集成超表面的应用，采用选定的若干种工作波长的激光沿波导传输方向耦合入射至上述的片上集成超表面中的波导层进行传输，在所述片上集成超表面的上方利用显微镜进行观察，在所述显微镜的观察面固定不动时，通过改变所述片上集成超表面的环境，能够在同一高度的平面处观察到对应于干燥环境的第一图像和对应于浸润环境的第二图像之间的切换。

12、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

13、本发明首先构建形成片上集成超表面的单元结构，单元结构包括平面基底、位于平面基底上方的波导层和设置在波导层的工作面上的纳米结构，片上集成超表面包含的所有纳米结构的尺寸相同；然后选取满足设计数量的多幅三维彩色目标图像，多幅三维彩色目标图像的颜色分量均对应于选定的若干种工作波长；之后将纳米结构在各自所属单元结构中的位置作为第一相位影响因素，将不同工作波长的输入导波在波导层中的传输相位作为第二相位影响因素；基于多幅三维彩色目标图像，结合第一相位影响因素和第二相位影响因素确定若干个单元结构中纳米结构的位置，排布后得到设计好的片上集成超表面。即本发明中纳米结构具有可以在各自周期范围内单独设置的坐标位置，其坐标位置的变化提供了对片内导波的迂回相位调制；本发明利用不同工作波长的导波在片上累积的传输相位的差异，对不同工作波长下的片上集成超表面投影的全息图像进行了优化设计，并利用光学菲涅耳衍射的特点，能够实现具有空间变化特征的三维彩色全息。

14、此外，本发明还提供了片上集成超表面的多种应用，一种应用为采用选定的若干种工作波长的激光沿波导传输方向耦合入射至片上集成超表面中的波导层进行传输，在片上集成超表面的上方利用显微镜进行观察，通过调节显微镜的物镜的工作距离，能够依次观察到满足设计数量的多幅三维彩色目标图像。另一种应用为采用选定的若干种工作波长的激光沿波导传输方向耦合入射至片上集成超表面中的波导层进行传输，在片上集成超表面的上方利用显微镜进行观察，在显微镜的观察面固定不动时，通过改变片上集成超表面的环境，能够在同一高度的平面处观察到对应于干燥环境的第一图像和对应于浸润环境的第二图像之间的切换。

15、综上，本发明具有设计灵活、结构紧凑、高集成度等特点，可利用片上集成超表面实现三维彩色全息，可以应用于三维显示、光学信息存储和加密防伪等领域。

技术特征：

1.一种片上集成超表面的设计方法，其特征在于，包括：构建形成片上集成超表面的单元结构，所述单元结构包括平面基底、位于所述平面基底上方的波导层和设置在所述波导层的工作面上的纳米结构，所述片上集成超表面包含的所有纳米结构的尺寸相同；选取满足设计数量的多幅三维彩色目标图像，所述多幅三维彩色目标图像的颜色分量均对应于选定的若干种工作波长；将所述纳米结构在各自所属单元结构中的位置作为第一相位影响因素，将不同工作波长的输入导波在所述波导层中的传输相位作为第二相位影响因素；基于所述多幅三维彩色目标图像，结合所述第一相位影响因素和所述第二相位影响因素确定若干个单元结构中纳米结构的位置，排布后得到设计好的片上集成超表面。

2.根据权利要求1所述的片上集成超表面的设计方法，其特征在于，所述纳米结构为长方体柱状结构；以平行于所述波导层的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米结构的长轴、短轴均与所述波导层的工作面平行；所述单元结构沿x轴方向、y轴方向的周期分别为px、py；波导传输方向为沿x轴方向时，第i种工作波长λi对应的相位调制表示为：φd+βix；其中，φd表示迂回相位；βi表示第i种工作波长λi对应的传播常数，βix表示第i传输相位。

3.根据权利要求2所述的片上集成超表面的设计方法，其特征在于，所述迂回相位表示为：φd＝2πδx/px；其中，δx表示纳米结构在各自所属单元结构中沿波导传输方向的坐标位置。

4.根据权利要求2所述的片上集成超表面的设计方法，其特征在于，所述多幅三维彩色目标图像的颜色分量均为红、绿、蓝三色，三种工作波长λ1、λ2和λ3对应的相位调制分别表示为：φd+β1x、φd+β2x和φd+β3x。

5.根据权利要求2所述的片上集成超表面的设计方法，其特征在于，利用逆向优化算法和光学衍射计算方法，计算得到所述片上集成超表面的迂回相位分布。

6.根据权利要求5所述的片上集成超表面的设计方法，其特征在于，所述逆向优化算法采用模拟退火算法或梯度下降算法，所述光学衍射计算方法采用角谱传输法。

7.根据权利要求1所述的片上集成超表面的设计方法，其特征在于，所述平面基底的材料采用二氧化硅，所述波导层的材料采用氮化硅，所述纳米结构的材料采用硅或二氧化钛。

8.一种片上集成超表面，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的片上集成超表面的设计方法得到。

9.一种片上集成超表面的应用，其特征在于，采用选定的若干种工作波长的激光沿波导传输方向耦合入射至如权利要求8所述的片上集成超表面中的波导层进行传输，在所述片上集成超表面的上方利用显微镜进行观察，通过调节所述显微镜的物镜的工作距离，能够依次观察到满足设计数量的多幅三维彩色目标图像。

10.一种片上集成超表面的应用，其特征在于，采用选定的若干种工作波长的激光沿波导传输方向耦合入射至如权利要求8所述的片上集成超表面中的波导层进行传输，在所述片上集成超表面的上方利用显微镜进行观察，在所述显微镜的观察面固定不动时，通过改变所述片上集成超表面的环境，能够在同一高度的平面处观察到对应于干燥环境的第一图像和对应于浸润环境的第二图像之间的切换。

技术总结
本发明属于微纳光学技术领域，公开了片上集成超表面及其设计方法、应用。本发明将纳米结构在各自所属单元结构中的位置作为第一相位影响因素，将不同工作波长的输入导波在波导层中的传输相位作为第二相位影响因素；基于多幅三维彩色目标图像，结合两个相位影响因素确定若干个单元结构中纳米结构的位置，排布后得到设计好的片上集成超表面。本发明还提供了多种应用，一种通过调节显微镜物镜的工作距离，能够依次观察到多幅三维彩色目标图像。另一种在显微镜观察面固定不动时，通过改变超表面的环境，能够在同一高度的平面处观察到对应于不同环境的图像之间的切换。本发明设计灵活、结构紧凑、集成度高，可利用片上集成超表面实现三维彩色全息。

技术研发人员：李仲阳,李哲,时阳阳,代尘杰,万帅,王泽静
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8