基于飞秒激光双光子聚合制备的微柱可重构防伪全息图

本发明涉及一种基于飞秒激光双光子聚合制备的微柱可重构防伪全息图，属于激光应用。

背景技术：

0、技术背景

1、产品防伪指的是防止伪造品牌产品，随着社会经济的发展，防伪成为了一个备受关注的领域，它可以保护商标和品牌的声誉，同时有助于维护消费者权益和公众安全，增加消费者对消费市场的好感和信任。全息图因其能够记录光波的相位和振幅信息，在激光照射下呈现出逼真的立体视觉效果，给人身临其境的观感体验，因此在三维显示、信息存储、医学成像等领域得到广泛应用。计算机生成全息图(computer-generated hologram,cgh)的尺寸一般在毫米量级，包含上万个排布无规律的像素点。此外，计算机生成全息图在激光的照射下还能形成肉眼可见的光学图案，光学图案可以包含产品商标、序列号等信息，为消费者提供真伪辨别信息。

2、然而，随着科学技术的发展，各类数据算法的涌现降低了计算机全息图设计技术的壁垒，制造技术的发展也降低了全息图的复制难度。目前加工的计算生成全息图在激光照射下一般只能呈现一种光学图案成像，通过光学图案成像可以反解出计算机生成全息图。虽然反解的计算机生成全息图和原先的全息图在很大概率上不同，但是它们所成光学图像却大致相同，而消费者又是通过光学图案的信息进行防伪鉴别，存在防伪标识被仿制的风险；目前市面上流行的全息图大多为二维平面结构，相较于三维结构，存储信息较少，简单的全息图已经无法满足日益增长的防伪安全需求。为了提高安全性和仿制难度，有人员研究制备可变全息图，但是，目前可变全息图主要依赖于超表面，其加工方法往往采用电子束光刻及离子束刻蚀，存在工艺方法复杂，环境污染等问题，不利于可变全息在防伪领域的实用化。

3、因此，在高级防伪领域，使用更环保、简单的加工方法，制备能存储更多加密信息的三维结构可变防伪全息图，便显得尤为重要。本发明受水草能够在水中直立、离开水环境会发生倒伏这一特性的启发，基于飞秒激光双光子聚合，制备了一种微柱可重构全息图，该发明有望应用于防伪、信息加密等领域。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于飞秒激光双光子聚合制备的微柱可重构防伪全息图，可用于高级防伪领域。该防伪计算机全息图使用飞秒激光双光子聚合技术，通过激光直写，可加工出构成可重构全息图的最小单元的微柱结构，作为一种微纳结构，微柱在直立状态下可以对入射激光进行有效的调制，并且高度可灵活调控。受水草能够在水中直立、离开水环境会发生倒伏这一特性的启发，作为变形单元，通过滴加和蒸发酒精，微柱会发生恢复与变形，在直立状态和倾倒状态之间进行切换，在激光照射下，发生图案的解密与加密，因此制备的全息图案只有在同时满足激光照射和浸润酒精这两个条件下才出现，实现可变全息防伪的功能，并显著提高仿制难度。

2、可重构动态全息图的实现通常需要两个条件。一个是全息图的每个单元必须对光的波前具有调制能力，另一个是调制能力需要是可编程或可切换的。本发明提出了一种利用微柱对液体响应的变形和恢复特性来实现可重构全息图的方法。在这种可重构全息图中，微柱具有两种作用。一方面，微柱作为光的衍射单元对入射激光进行调制；另一方面，微柱在酒精的作用下，发生变形与恢复。微柱直立和倾倒状态之间的切换是通过酒精的浸润和蒸发控制的，是由液体蒸发时产生的毛细力、微柱发生变形时产生的弹性恢复力和变形到一定程度，微柱与微柱之间、微柱与基底之间发生接触而产生的范德华力共同作用导致的。由于在加工过程中设计了特定的振幅调制分布，因此在激光照射后，在直立状态下，微柱可以对入射激光进行有效的调制，呈现出预先设计的全息图案。然而，液体蒸发后，微柱会处于弯曲状态时，一方面对入射激光的调制能力会减弱；另一方面，由于振幅型全息的特性，每个微柱周围的微柱分布具有一定的不确定性，这导致酒精蒸发引起的毛细力作用在微柱上的合力方向各不相同，从而导致微柱倾倒的方向也各自不同。这种情况会破坏原有的振幅调制分布，使得在激光照射后不会出现清晰的全息图案，这种简单的刺激和响应方法使通过飞秒激光双光子聚合技术制造的微柱具有非凡的可逆形状变化灵活性。

3、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

4、一种基于飞秒激光双光子聚合制备的微柱可重构防伪全息图，该防伪计算机全息图受水草能够在水中直立、离开水环境会发生倒伏这一特性的启发，通过在加工好的图案上滴加和蒸发酒精，组成全息图的微柱结构单元会发生恢复与变形，在直立状态和倾倒状态之间进行切换，在激光照射下，发生图案的解密与加密，因此制备的全息图案只有在同时满足激光照射和浸润酒精这两个条件下才出现，实现可变全息防伪的功能，并显著提高仿制难度。

5、该全息图成像基于振幅全息的原理，经过处理的微柱的位置和未经过处理的微观柱的位置对光的透射率会不同，这种透射率的差异将导致入射激光束的振幅调制。相位全息图使用具有高度差的微柱进行设计，高度差δh由所需的相位差决定，δh＝δφλ/[2π(n-1)]，其中δφ是设计的相位差，λ是激光的波长，n是光刻胶在目标波长下的折射率。

6、基于飞秒激光双光子聚合制备的微柱可重构防伪全息图，是通过飞秒激光双光子聚合技术，加工出由最小单元微柱结构构成的可重构全息图；利用微柱单元对光的波前的调制能力，以及对液体响应的变形和恢复特性实现全息防伪加密。

7、单元微柱的直立和倾倒状态之间的切换是通过酒精的浸润和蒸发控制的。

8、制备上述可变防伪计算机全息图的方法，具体步骤如下：

9、步骤一：全息图的计算

10、1.1，输入目标图像对应焦平面光场的目标振幅分布u{x,y}，对应的初始相位分布设为exp{i*rand{x,y}}，加权因子暂设为单位矩阵；

11、1.2，使用目标图像的空间分布与加权因子的乘积作为新的振幅信息，使用初始相位分布或者上一次迭代获得的焦平面光场的相位分布作为相位信息，组合获得修正后的焦平面光场分布x，归一化后获得焦平面光场的修正复振幅分布表达式为：

12、u{x,y}w{x,y}exp{i*phase1}    (1)

13、其中，w{x,y}是加权因子，用于调整目标图像的空间分布；phase1表示焦平面光场的相位角。

14、基于菲涅尔衍射积分方法，反向计算入射光场分布x，其复振幅表达式为：

15、u{x,y}exp{i*phase2}    (2)

16、其中，u{x,y}表示入射光场的复振幅分布；phase2表示入射光场的相位角。

17、1.3，仅保留二值化处理后的入射光场的振幅信息，使用实际入射激光的相位分布替代原有的相位信息，归一化后获得修正入射光场a*exp{i*0}；再由入射光场正向传播变换获得焦平面光场，通过菲涅尔衍射积分方法，由入射光场正向衍射获得焦平面的计算光场：

18、a{x,y}exp{i*phase1}(3)

19、其中，a{x,y}表示经过二值化处理后的入射光场的振幅信息。

20、1.4，利用w{x,y}＝u{x,y}/a{x,y}*wprev，计算修正加权因子，在迭代过程中对焦平面光场进行约束；采用均方差rms作为评价函数判断计算效果是否满足要求：

21、

22、其中，wprev表示上一次迭代中计算得到的加权因子；eout(x2,y2)表示算法当前迭代步骤得到的实际输出光场结果；表示预期设计的输出光场结果。

23、1.5，重复1.2-1.4操作，直到评价函数小于设定值；当迭代算法计算停止时，此时修正入射光场的振幅信息即为所需的振幅信息；

24、步骤二：图案的制备

25、使用光聚合物作为加工材料，利用近红外长波段飞秒激光作为光源，通过飞秒激光双光子聚合技术进行全息图的加工。首先，对光场进行调节，保证光场能量为高斯型强度分布；之后，对加工平移台、加工物镜进行调平，确保激光能够竖直出射，通过此步骤，可以保证加工微柱的垂直度；放置衰减片，通过调整激光能量，一方面可以保证光学元件不会被损坏，另一方面可以调整加工微柱的圆度大小。

26、完成以上操作后，用镊子夹持样品，轻轻放在加工平移台上。之后，通过设定平移台扫描速度确保加工的平稳性；通过合理地设置曝光时间以及激光器重复频率确定加工的脉冲数量；通过加工物镜，将激光束聚焦在加工材料内部，在计算所得全息图中振幅为0的地方加工柱子，为1的地方不加工，如附图1所示；通过编写的gcode代码，控制平移台的移动，从而产生较大面积的全息加工。之后，通过使用酒精显影、硅烷化处理等后处理操作，完成全息图的制备。

27、通过该方法制备全息图，操作简单，加工方便，具有很强的灵活性。在制备过程中，通过控制激光能量等参数以及平移台的移动量，即可实现全息图中微柱的大小、高度、间距等的变化。通过以上过程，最终制备获得可使用的振幅全息图。

28、步骤三：图案的加密与解密

29、显影后的全息图，由于酒精蒸发，微柱受到毛细力作用会发生倒伏，呈现杂乱的状态，因此无法呈现图案，从而实现加密效果；滴加酒精润湿后，微柱受到弯曲变形产生的弹性恢复力会大于毛细力，因此恢复直立状态，此时使用激光辐照全息图，即可实现预加工图案的解密。

30、具体解密原理如下：

31、对可重构全息中的微柱单元在变形与恢复的不同阶段进行受力情况分析。在液体蒸发的过程中，当液面降低到低于微柱高度时，微柱会受到毛细力的影响而发生弯曲。如果毛细力大于微柱本身抵抗变形的力，微柱就会发生弯曲。此时，微柱会产生弹性恢复力，这种变形会随之发生。其中，毛细力大小为：

32、fc＝2πγr2cos2θ/d    (5)

33、其中，d是两个相邻微柱顶端之间的距离，这个值在微柱发生弯曲时动态变化；γ是界面张力；r是微柱的半径；θ为微柱与液面之间的接触角。随着液面的降低,毛细力会逐渐增加。

34、随微柱弯曲变形产生的弹性恢复力大小为：

35、fs＝3πer4ν/4h3    (6)

36、其中，ν是微柱顶端与基底之间的水平位移，因此，当微柱起初为直立状态时，fs＝0；e是微柱材料的杨氏模量；h是微柱高度。

37、液体蒸发后，如果微柱发生弯曲，并且与相邻微柱或基底发生接触，由于在制备过程中使用硅烷化处理消除了氢键的影响，此时微柱与微柱之间、微柱与基底之间的力是范德华力fvdw(一种弱的分子间作用力)。考虑到交叉的微柱(对应于柱子之间的接触)和球-地面(对应于柱头与地面的接触)接触情况，fvdw可以分别写为：

38、

39、fvdw＝-ar/6d2    (8)

40、其中，a是哈马克常数,；r1和r2分别是两个微柱的半径；r是微柱顶端的半径；d是微柱与微柱之间、微柱与基底之间的接触距离。假设两个微柱和微柱顶端具有相同的直径，则fvdw可以统一表示为fvdw＝-ar/6d2。

41、因此，当酒精滴在样品表面时，由于基于微柱“点接触”的fvdw力较弱，当微柱的弹性恢复力fs大于范德华力fvdw时，微柱将变得直立；酒精蒸发后，微柱在毛细管力的作用下再次变形。

42、有益效果

43、1、本发明受水草能够在水中直立、离开水环境会发生倒伏这一特性的启发，利用微柱对液体响应的变形和恢复特性来实现对入射光的调制信息，从而实现全息成像图案的转变。其成像变化原理简单，可操作性强，不需要依赖复杂的成像系统便可以实现全息成像的转变。由于本发明只有在同时满足激光照射和浸润酒精这两个条件下才出现预制信息，因此其仿制难度显著提高，可用于高级防伪领域，具有很强的实用性及高保密能力。

44、2、本发明利用飞秒激光双光子聚合技术制备全息图，微柱作为一种常见的微纳结构，适用范围广，而飞秒激光双光子聚合技术，相较于传统如光刻、电子束曝光等微纳制造方法，具有不需要掩膜、真三维加工、超精密制造、更环保等特点，可以对每个微柱的位置进行精确控制。在控制激光能量和激光脉冲个数的情况下，仅需要利用平移台的位移即可实现不同高度、间距的微柱加工。该方法具有工艺简单、使用方便的优点，灵活性好，便利性强，在防伪和光学安全方面具有广阔的潜力。