基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法

本发明属于微纳光学，具体的说，涉及基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法。

背景技术：

1、光学超表面、超材料的2d对应物，在波前操控方面提供了前所未有的能力，实现了许多新的应用，如广义斯涅耳定律、光束整形、自旋霍尔效应、全息图和偏振成像。传统的透镜依赖于通过控制光学材料的表面轮廓来实现所需的逐渐相变，相比之下，超透镜是超薄和超平坦的，这对于器件小型化和系统集成是理想的。作为基本光学元件，超透镜由于其超薄结构和易于制造的特点，因此在成像、光刻、信息传输和加密等领域显示出了良好的应用前景。但是现有的超构透镜很难实现在纵向、角向等空间维度上相位、波长、偏振的多维度联合操控，限制了偏振相关成像及信息加密等应用，因此需要一种基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，通过在连续焦点超透镜的单相位轮廓中重构纵向多个偏振结构，并且对每个离散焦点设计不同的工作波长和偏振态，采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分法研究超透镜对不同波长光束的聚焦特性与色散、偏振操控能力，结合焦平面上不同角向位置两个正交偏振结构的复用以及多个焦平面的纵向控制，提升信息加密容量，有效地解决了现有片上偏振操控难以在纵向多个平面独立精确定制多个偏振结导致信息加密容量有限且多相位轮廓导致超表面结构复杂的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，包括如下步骤：

4、步骤一：确定不同焦平面上焦点的尺寸及形成连续焦点所需的焦点间距，并结合偏振、色散控制技术，设计连续焦点超构透镜中每个焦点的偏振态和工作波长，再将产生所有多色、矢量焦点的相位轮廓集成到一个相位轮廓中，获得连续焦点超透镜的相位轮廓；

5、步骤二：利用金属等离激元超表面，采用有限元方法优化超透镜单元几何结构，通过定制排列单元结构(金纳米棒)产生的pancharatnam-berry相位来获得超透镜所需的单相位轮廓；

6、步骤三：根据相位轮廓加工制备样品；

7、步骤四：对步骤三加工的样品进行表征和测试。

8、步骤一具体操作步骤为：

9、(1)设定在某一焦平面，偏振结构上焦点增加至n个后能够产生连续焦线，在角向、纵向不同位置重构m个偏振结构；

10、(2)根据费马原理，在不同位置上单焦点的相位轮廓满足公式：

11、

12、其中，λn为设计波长，fn为焦平面所在位置，焦点坐标为(xn,yn,fn)，为焦点到超构透镜中心的距离；

13、(3)圆偏振光包括两种，而公式①的相位分布只对一种的圆偏振光进行汇聚，对另一种圆偏振光则进行发散，当相位分布满足以下公式②时，则对任意线偏振态的入射光汇聚并实现偏振功能；

14、

15、而φn代表第n个焦点的偏振旋转角；

16、(4)为了将线偏振光转化为纵向变化的多色偏振结构，则超透镜相位轮廓表达为：

17、

18、

19、其中，m、n、n和m分别表示偏振结构的总数、特定偏振结构上的总焦点数、第n个焦点和第m个偏振结构；λm,n和φm,n分别为第m个偏振结构的设计波长和偏振旋转角,(xm,n,ym,n,fm,n)代表第m个偏振结构上第n个具有的焦点坐标。

20、(5)根据公式③定制偏振结构和其上的偏振旋转角，即可获得所需的单相位轮廓。能够将入射的线偏振光束汇聚到纵向不同位置，并通过改变入射光偏振态和波长，调控偏振结构上的焦点的on和off状态进行加密，实现纵向预设多色2d偏振结构动态调控；

21、在进行步骤三前需要进行优化设计，具体优化方法为：

22、在单个焦平面上增加不同角向偏振结构的个数，或在纵向增加更多个焦平面，并对偏振结构设计更多的工作波长和偏振旋转角，进一步分析强度轮廓清晰度受纵向偏振结构数目、偏振结构所在的焦平面位置、偏振结构尺寸、不同偏振结构上的焦点数目、超表面尺寸等的影响，不断优化设计，减小各偏振结构间光场的串扰，在一个、或者多个焦平面的不同角向位置，实现多个不同颜色、不同偏振旋转角的数字。

23、步骤三中的样品包括玻璃基板和玻璃基板上具有不同面内取向的金纳米棒，每个金纳米棒逆时针旋转所在位置所需相位分布的二分之一；

24、金纳米棒为单元结构的超表面的制备过程为：

25、(1)在超声浴中用丙酮清洗玻璃基板10分钟；

26、(2)再用异丙醇清洗10分钟；

27、(3)准备玻璃基板，并在玻璃基板上旋涂pmma 950a2抗蚀剂，使玻璃基板上形成厚度为120nm的pmma膜；

28、(4)使用标准电子束光刻在pmma膜中制作超表面图案；

29、(5)将样品在甲基异丁酮中显影45s，并在限位器中显影45s；

30、(6)使用电子束蒸发器将薄金层沉积在显影后的样品上，金属等离激元超表面在丙酮中剥离后得到金纳米棒。

31、步骤四的具体操作为：

32、检验样品在纵向多个平面偏振操控性能，观察不同入射光偏振态情况下，纵向不同观察平面上测量得到的强度分布情况，以及测试样品用于信息加密的效果。

33、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明在连续焦点超透镜的单相位轮廓中重构偏振结构并精确定制每个焦点的波长和偏振态，在亚波长尺度上实现偏振结构上每一个焦点的精准偏振和色散调控。此外，本发明在单个焦平面上增加不同角向偏振结构的个数，或在纵向增加更多个焦平面，并在多操作波长下，对偏振结构设计更多偏振旋转角，在一个、或者多个焦平面的不同角向位置，实现多个不同偏振旋转角的偏振结构，并进一步实现了纵向、偏振复用的信息加密应用。

34、综上所述，本发明可以在亚波长尺度上实现纵向、角向多个彩色偏振结构上每一焦点的精准偏振和色散调控，并通过对超透镜产生的连续多焦点实施定制的偏振旋转，结合焦平面上两个正交偏振结构的复用、角向空间复用以及多个焦平面的纵向控制，提升信息加密容量。

技术特征：

1.一种基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，其特征在于：步骤一具体操作步骤为：

3.根据权利要求2所述的基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，其特征在于：在进行步骤三前需要进行优化设计，具体优化方法为：

4.根据权利要求3所述的基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，其特征在于：步骤三中的样品包括玻璃基板和玻璃基板上具有不同面内取向的金纳米棒，每个金纳米棒逆时针旋转所在位置所需相位分布的二分之一；

5.根据权利要求4所述的基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，其特征在于：步骤四的具体操作为：

技术总结本发明公开了基于纵向控制及多色偏振成像信息加密的超透镜设计方法，首先确定纵向各焦平面上焦点的尺寸及形成连续焦点所需的焦点间离，为每个焦点设计不同的工作波长和偏振态，将产生的所有多色、矢量焦点的相位轮廓集成到一个相位轮廓中，获得连续焦点超透镜的相位轮廓；采用菲涅耳‑基尔霍夫衍射积分法研究超透镜对不同波长光束的聚焦特性与色散、偏振操控能力，然后利用金属等离激元超表面，采用有限元方法优化超表面单元几何结构，通过定制排列单元结构产生的Pancharatnam‑Berry相位获得超透镜所需的相位轮廓，并根据相位轮廓加工制备样品；最后对加工的样品进行表征和测试。本发明实现了偏振和颜色的精确调控，提升了信息加密容量。技术研发人员：李艳,于群星,钟发成,邵立,孙辉,杨天,田硕,于占军受保护的技术使用者：郑州航空工业管理学院技术研发日：技术公布日：2024/5/19