超表面及其设计方法、实现动态全息显示的方法、应用

本发明属于微纳光学，更具体地，涉及一种超表面及其设计方法、实现动态全息显示的方法、应用。

背景技术：

1、作为纳米光子学的一个新兴研究领域，将超表面结合到光波导上成为操纵和引导面内导波的紧凑平台，已经引起了广泛的关注。最近，一些研究者通过在波导上精心图案化亚波长的纳米结构，已经实现了多种功能和应用场景，包括定向光束控制，片上超透镜，涡旋光束产生，片上超表面全息术，以及透明的屏幕显示等。同时，这也为开发具有芯片集成化和小型化的先进光学显示设备提供了新途径，例如用于增强现实(ar)。特别是，相比于传统的自由空间型超表面，基于片上超表面实现的显示功能具有独特的优势，例如，由于片上传播的形式，观察者因此不会受到零级背景的干扰。

2、然而，面向下一代可穿戴的智能光学显示设备，以往的片上超表面大多只在静态状态下工作，而缺乏实用的动态控制能力，因此严重限制了其在实际场景中的应用。尽管一些基于热、机械、液体浸润、光学、电驱动等方案的主动调谐策略已经被研究和用于操纵自由空间光，但是一种实用的实现片上光学的动态调谐功能的解决方案仍然没有被揭晓。另一方面，虽然一些片上集成超表面已经实现了导波驱动的超表面全息显示，但它们还受到可用偏振态数量有限的影响，而且需要设计不同尺寸的复杂纳米结构，这些也无法满足片上超表面在实际应用中的多功能需求。因此，展望未来，在片上集成方案中实现基于全偏振矢量波前控制的动态可切换能力至关重要。

技术实现思路

1、本发明通过提供超表面及其设计方法、实现动态全息显示的方法、应用，解决现有技术中的片上超表面缺乏实用的动态控制能力，存在可用偏振态数量受限或结构较复杂的问题。

2、第一方面，本发明提供一种超表面的设计方法，包括：

3、构建超表面的单元结构，所述单元结构包括衬底层、位于所述衬底层上方的光波导层和设置在所述光波导层的工作面上的双原子纳米砖，所述双原子纳米砖正交排布；所述超表面包含的若干所述双原子纳米砖组成纳米砖结构阵列，所述超表面包含的所有所述双原子纳米砖的尺寸相同；

4、将所述双原子纳米砖的整体位移d、所述双原子纳米砖之间的局部位移s以及所述双原子纳米砖中某一纳米砖的旋转角θ作为调节参数，结合矢量全息图像，通过设计所述调节参数对若干所述双原子纳米砖进行排布设计，将所述矢量全息图像编码进所述超表面中。

5、优选的，从所述双原子纳米砖中的每个纳米砖中提取的光波表示如下：

6、

7、式中，e1和e2分别为双原子纳米砖中的每个纳米砖提取的光波的电场；sx为双原子纳米砖沿x方向的间隔，作为局部位移；θ为双原子纳米砖中的一个纳米砖的旋转角，px为双原子纳米砖沿x方向的周期；

8、所述双原子纳米砖中，平行于每个纳米砖长轴的两个正交分量沿x方向的传输相位差表示如下：

9、

10、式中，为两个正交分量的传输相位差。

11、优选的，选定目标工作波长为λ，由波导的传播常数β计算得到所述双原子纳米砖沿x方向的周期px和所述双原子纳米砖沿y方向的周期py；所述双原子纳米砖沿y方向的间隔为py/2。

12、优选的，以所述单元结构内的x方向的最左侧为基准线，将所述双原子纳米砖作为一个整体，其距离所述基准线的长度记为所述双原子纳米砖的整体位移d；利用下式计算所述双原子纳米砖的整体位移d：

13、

14、式中，为目标相位分布，px为双原子纳米砖沿x方向的周期。

15、优选的，利用g-s迭代算法检索具有多个偏振态的所述矢量全息图像的相位分布图，通过将不同预设的偏振态分配给不同目标图像对应的相位分布图，检索得到每个偏振通道对应的所述双原子纳米砖的整体位移d、所述双原子纳米砖之间的局部位移s以及所述双原子纳米砖中某一纳米砖的旋转角θ，实现独立地操纵提取光波的相位和偏振；结合空间复用，将全偏振的所述矢量全息图像编码进所述超表面中。

16、第二方面，本发明提供一种超表面，采用上述的超表面的设计方法得到。

17、第三方面，本发明提供一种实现动态全息显示的方法，包括：

18、将具有目标工作波长λ的波导沿x方向入射，经过上述的超表面后，利用摄像头捕获矢量全息图像；

19、通过在所述摄像头和所述超表面之间设置线偏振或圆偏振检偏器，能够依次得到不同的目标图像，实现动态全息显示。

20、优选的，将所述超表面与电驱动的液晶装置结合，通过调节所述液晶装置的电压，调整所述超表面提取光波的预设的偏振态。

21、优选的，所述液晶装置在低于第一预设电压的低电压的输入下，作为输出光的交叉偏振转换器；所述液晶装置在高于第二预设电压的高电压的输入下，不进行偏振转换。

22、第四方面，本发明提供超表面的应用，所述应用为将所述超表面应用于可穿戴增强现实设备、多路信息存储或加密或智能动态显示领域。

23、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：

24、1、本发明通过在纳米尺度上设计片上双原子纳米砖集成在波导上方，通过设计双原子纳米砖的整体位移、旋转角以及双原子纳米砖之间的局部位移，可以独立地操纵提取光波的相位和偏振，可以实现对外耦合光波的任意偏振和相位的同步操控，进一步结合空间复用方法，可以获得高达九通道的全偏振矢量全息图。且本发明中超表面中所有双原子纳米砖的尺寸相同，相比于现有方案，本发明简化了结构，降低了设计复杂度与成本。

25、2、本发明通过与电驱动的液晶装置相结合，集成的片上超表面光学器件可以主动并实时地切换漂浮在现实世界场景中的全息图像，实现动态的ar全息显示。

26、3、由于片上光学传播方案，本发明提供的投影的矢量ar全息图消除了对观察者的零级衍射背景干扰。

27、4、本发明提供的这种与液晶平台集成的片上动态矢量全息显示可以实现光学器件小型化集成，并在先进智能动态显示、多路信息存储/加密和下一代可穿戴ar显示方面具有巨大的潜在应用。

技术特征：

1.超表面的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，从所述双原子纳米砖中的每个纳米砖中提取的光波表示如下：

3.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，选定目标工作波长为λ，由波导的传播常数β计算得到所述双原子纳米砖沿x方向的周期px和所述双原子纳米砖沿y方向的周期py；所述双原子纳米砖沿y方向的间隔为py/2。

4.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，以所述单元结构内的x方向的最左侧为基准线，将所述双原子纳米砖作为一个整体，其距离所述基准线的长度记为所述双原子纳米砖的整体位移d；利用下式计算所述双原子纳米砖的整体位移d：

5.根据权利要求1所述的超表面的设计方法，其特征在于，利用g-s迭代算法检索具有多个偏振态的所述矢量全息图像的相位分布图，通过将不同预设的偏振态分配给不同目标图像对应的相位分布图，检索得到每个偏振通道对应的所述双原子纳米砖的整体位移d、所述双原子纳米砖之间的局部位移s以及所述双原子纳米砖中某一纳米砖的旋转角θ，实现独立地操纵提取光波的相位和偏振；结合空间复用，将全偏振的所述矢量全息图像编码进所述超表面中。

6.超表面，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一项所述的超表面的设计方法得到。

7.实现动态全息显示的方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的实现动态全息显示的方法，其特征在于，将所述超表面与电驱动的液晶装置结合，通过调节所述液晶装置的电压，调整所述超表面提取光波的预设的偏振态。

9.根据权利要求8所述的实现动态全息显示的方法，其特征在于，所述液晶装置在低于第一预设电压的低电压的输入下，作为输出光的交叉偏振转换器；所述液晶装置在高于第二预设电压的高电压的输入下，不进行偏振转换。

10.如权利要求6所述的超表面的应用，其特征在于，所述应用为将所述超表面应用于可穿戴增强现实设备、多路信息存储或加密或智能动态显示领域。

技术总结本发明属于微纳光学技术领域，公开了超表面及其设计方法、实现动态全息显示的方法、应用。本发明通过设计片上双原子纳米砖集成在波导上方，通过设计双原子纳米砖的整体位移、旋转角以及双原子纳米砖之间的局部位移，可以独立地操纵提取光波的相位和偏振，可以实现对外耦合光波的任意偏振和相位的同步操控，结合空间复用，可以获得多通道的全偏振矢量全息图。通过与电驱动的液晶装置相结合，超表面可以主动并实时地切换漂浮在现实世界场景中的全息图像，实现动态全息显示。本发明具有实用的动态控制能力，且简化了结构，可应用于可穿戴增强现实设备、多路信息存储或加密、智能动态显示等领域。技术研发人员：李仲阳,时阳阳,代尘杰,万帅,王泽静,李醒龙受保护的技术使用者：武汉大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11