电驱动的近远场同时多路复用的动态显示方法与应用与流程

1.本发明涉及微纳光学及光学全息领域，具体涉及一种电驱动的近远场同时多路复用的动态显示方法与应用。


背景技术：

2.迈向智能光子技术，超光学正处于从被动可控器件到主动可控器件转变的革命性过程中。尽管各种新兴的动态调控机制被探索和展示，但它们主要集中在光谱的振幅调节或近场成像开关上。此外，大多数动态调控方案不可避免地需要相当复杂的纳米加工技术对纳米活性材料进行加工，从而限制了其在实验室外的应用场景。因此，在现实生活中同时实现多场(近场和远场)动态显示的切实可行的解决方案仍然是一个关键的挑战。在这里，本发明提出并展示了一种实用的电驱动液晶集成超表面(elim)，用于先进的智能动态显示。通过精心筛选构建块(α-si纳米柱)几何结构以构建系统的架构字典，本发明成功地克服了传统的空间复用并创建了幅度/相位选择的简并性，从而允许任意多场加密。通过利用elim正交极化的各向异性特性，首次实际实现了电驱动动态调控的四重动态展示，包括同时可切换的双重纳米打印(近场)和双重全息(远场)具有独立加密自由的图像。总的来说，本发明设想与液晶平台集成的元光学可以很容易地在现实生活中找到实际应用，用于智能动态显示、成像复用以及信息加密/安全等。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于电驱动的近远场同时多路复用的动态显示方法与应用。
4.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
5.第一方面，本发明提供一种基于电驱动的近远场同时多路复用的动态显示方法与应用，步骤如下：
6.s1：构建用于形成超表面的单元结构：其中，所述结构为两层结构，两层包括基底和设置于其上的纳米砖；所述超表面由多个单元结构周期性排列于同一平面所构成；单元结构中纳米砖具有独立设置的尺寸参数；
7.s2：采用电磁仿真工具，设置工作波长对不同单元结构的尺寸进行扫描，得到不同线偏振光下纳米砖尺寸与相位和振幅；
8.s3：将上述所有数据整合形成一个具有偏振、尺寸、相位与振幅的纳米砖数据库，并且采用了振幅与相位的简并，将原本超表面最少需要挑选的16种结构简并为9种，避免了传统的空间复用形式，直接采用单一的结构进行振幅与相位的解耦，使得相位与振幅可以进行独立编码；
9.s4：采用改进型的gs算法，同时优化两幅相位型全息图案与两幅振幅型近场图案，最终得到基于偏振、相位与振幅的四维矩阵分布，通过该需求的矩阵分布在上述纳米砖数据库中进行搜索，矩阵中每个点都可以在数据库中找到。将搜索到的纳米砖结构进行排布，
便可构成具有同时切换近远场显示的超表面；
10.s5：将该超表面放置在具有电驱动的偏振旋转器功能的液晶层上，通过改变施加在液晶层的电压实现宽带可见光范围内近远场同时多路复用的电驱动超光学动态。
11.进一步地，所述步骤s1中纳米砖和基底均为长方体结构；其中基底横截面为正方形；单元结构的基底尺寸相同。
12.更进一步地，所述单元结构的基底由折射率低且透明光学材料构建，材料包括mgf2、al2o3、sio2，纳米砖的材料包括tio2、si、ag、au、cu、al。
13.更进一步地，所述步骤s1、s2中尺寸参数包括纳米砖长l、宽w、高h和基底横截面边长p。
14.更进一步地，以基底顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖沿x轴尺寸为长l，沿y轴尺寸为宽w；不同的偏振光入射时，具有不同的相位与振幅的变化。将数据整合形成一个具有偏振、尺寸、相位与振幅变化的数据库，使得振幅与相位进行解耦，可以利用相位与振幅进行独立编码，避免了传统的空间复用形式。并且采用了振幅与相位的简并，将原本超表面最少需要挑选的16种结构简并为9种。
15.更进一步地，所述步骤s3中两幅全息图像信息转换为纳米砖尺寸信息的方法如下：在工作波长下，具有不同尺寸纳米砖的结构单元具有不同的相位，通过扫描获得纳米砖尺寸与相位的关系；然后建立全息图像中的像素和每个单元结构的尺寸一一对应的关系，最终实现不同偏振储存不同的全息图像信息。
16.更进一步地，所述步骤s4中两幅全息与两幅近场图像信息转换为纳米砖尺寸信息的方法如下：在工作波长下，根据计算的相位与振幅的分布，在数据库中选择具有所需求的偏振、相位与振幅对应的纳米砖；然后建立图像中的像素和每个单元结构的尺寸一一对应的关系，最终实现不同偏振储存不同的全息与近场图像信息。
17.第二方面，本发明提供一种可实现基于电驱动的近远场同时多路复用的动态显示，其特征在于：采用如上述任一项所述方法，将超表面放置于具有电驱动的偏振旋转器功能的液晶层上，将电驱动的偏振转化与偏振复用型超表面进行结合，仅通过改变施加在液晶层的电压实现宽带可见光范围内近远场同时多路复用的电驱动超光学动态显示。
18.第三方面，本发明提供一种如上述方法调制的电驱动液晶集成超表面在智能动态显示、多通道成像以及信息编码、光数据存储和安全中的应用。
19.本发明的工作原理如下：
20.1、扫描单元结构尺寸参数
21.所述介质纳米砖阵列超表面，由多个纳米砖单元结构周期性阵列于一平面上构成；所述单元结构包括两层结构，由下至上依次为基底和顶层；其中，基底为具有矩形顶面的方块；顶层为纳米砖；基底的顶面边长相同；以基底顶面的直角边为x轴和y轴，建立xoy直角坐标系，纳米砖沿x轴尺寸为长l，沿y轴尺寸为宽w；l与w的范围为0～400nm；所述单元结构的周期p为介质层顶面的边长；通过电磁仿真法扫描纳米砖尺寸与相位的关系。对于基底-纳米砖结构，结构参数包括纳米砖的长l、宽w、高h以及周期p，工作模式为透射式。
22.2、图案信息转化
23.实现偏振复用的超表面时，根据计算的相位与振幅的分布，在数据库中选择具有所需求的偏振、相位与振幅对应的纳米砖；然后建立图像中的像素和每个单元结构的尺寸
一一对应的关系，最终实现不同偏振储存不同的全息与近场图像信息
24.本发明具有如下优点和有益效果：
25.1、构建了适用于偏振、振幅与相位的纳米砖数据库，避免了传统的空间复用形式，直接采用单一的结构进行振幅与相位的解耦，使得相位与振幅可以进行独立编码。
26.2、采用振幅/相位的简并性，将原本最少需要16个的单元结构简化到9个极大的降低了单元结构选择的难度。
27.3、将超表面与液晶平台进行结合，实现了一种实用的电驱动液晶集成超表面。
28.4、本发明元件的单元结构具有超微尺寸，可以促进增加信息编码能力，并且全息多路复用通道，可广泛应用于智能动态显示、成像复用以及信息加密/安全等领域。
附图说明
29.图1为本发明功能示意图；
30.图2为本发明整体器件结构示意图；
31.图3为本发明中整体器件的实物图；
32.图4为本发明中单元结构示意图；
33.图5为本发明中纳米砖结构数据库；
34.图6为本发明中超表面sem图；
35.图7为本发明实施例中近场图像的光学测量设置原理图，通过控制器对液晶施加电压；
36.图8为本发明实施例中远场图像的光学测量设置原理图，通过控制器对液晶施加电压；
37.图9为本发明实施例中近场与远场测量不同电压的近场图像与远场全息图；
38.图10为本发明实施例中白光下近场图像的切换与在宽带可见光范围内远场的全息图像。
39.图中：l为纳米砖长度、h为纳米砖的高度、w为纳米砖的宽度、p
x
与py是沿x与y方向上的周期。
具体实施方式
40.以下结合附图与具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
41.实施例1：
42.本实施例为一种基于电驱动的超光学近远场同时多路复用的动态显示方法及其应用：
43.图1显示了本发明功能示意，可以显示两幅近场与两幅远场图像，并在电压的控制下进行近远场的同步切换。
44.图2是本发明的结构示意图，在具有电驱动的液晶层在外加电压与不加电压两种情况下对于入射光偏振旋转的示意图。在不外加电压的情况下，液晶层会使得入射光的偏振旋转90
°
，然后再通过顶部超表面；在外部施加电压之后，液晶分子排列发生变化，液晶层失去偏振旋转器的功能，经过液晶的入射光偏振不发生变化。图3是本发明的实物照片图。图4展示出了单元结构，为两层结构，包括基底和设置于其上的纳米转。沿x方向和y方向将
具有独立尺寸参数的单元结构周期性排布，构成硅几何体阵列。图5展示了纳米砖的数据库。采用电磁仿真工具，设置工作波长对不同单元结构的尺寸进行扫描，得到不同线偏振光下纳米砖尺寸与相位和振幅。将所有数据整合形成一个具有偏振、尺寸、相位与振幅的纳米砖数据库。图6展示了该超表面的sem图像。图7展示了电驱动的近场图像的光学测量设置原理图，通过改变施加的电压进行近场图像的切换。图8展示了电驱动的远场图像的光学测量设置原理图，通过改变施加的电压进行远场图像的切换。图9展示了在设计波长633nm处的不同电压下近场与远场的图像。图10展示了在白光下近场图像的切换与在宽带可见光范围内远场的全息图像。
45.为了便于理解本发明技术方案，下面将详细介绍本发明结构能实现电驱动的超光学近远场同时多路复用的动态显示的技术原理：
46.玻璃基板上的纳米单元结构，沿光偏振方向的几何尺寸决定了其共振相移。基于此，本实施例设计的单层超表面包含多个不同尺寸参数的单元结构，其长度与宽度位于80nm到360nm之间。这种矩形阵列可以看作是两个独立阵列的集成。以基底顶面的直角边为x轴和y轴，顶点为原点，建立xoy直角坐标系，纳米砖沿x轴尺寸为长l，沿y轴尺寸为宽w；不同的偏振光入射时，具有不同的相位与振幅的变化。将数据整合形成一个具有偏振、尺寸、相位与振幅变化的数据库，使得振幅与相位进行解耦，可以利用相位与振幅进行独立编码，避免了传统的空间复用形式。并且采用了振幅与相位的简并，将原本超表面最少需要挑选的16种结构简并为9种。因此，在工作波长下，具有不同尺寸纳米砖的结构单元具有不同的相位，通过扫描获得纳米砖尺寸与相位的关系；然后建立全息图像中的像素和每个单元结构的尺寸一一对应的关系，最终实现不同偏振储存不同的全息图像信息。
47.为了实现电驱动的超光学近远场同时多路复用的动态显示，本实施例将偏振复用超表面与具有偏振旋转器功能的液晶进行结合。将超表面放置于具有电驱动的偏振旋转器功能的液晶层上，将电驱动的偏振转化与偏振复用型超表面进行结合，仅通过改变施加在液晶层的电压实现宽带可见光范围内近远场同时多路复用的电驱动超光学动态显示。
48.为了充分展示宽带可见光范围内近远场同时多路复用的电驱动超光学动态显示方法，本实施例展示了由电压驱动的近远场复用显示，本发明设想与液晶平台集成的元光学可以很容易地在现实生活中找到实际应用，用于智能动态显示、成像复用以及信息加密/安全等。本实施例的近远场同时多路复用的电驱动超光学动态显示的概念图显示了它可以同时可切换的双重纳米打印(近场)和双重全息(远场)具有独立加密自由的图像。
49.综上所述，本发明提出并实现了一种面向高级智能动态显示的装置，它可以实现四重动态展示，包括可切换的双重纳米印刷(近场)和双重全息(远场)图像，独立加密自由。通过建立系统的架构字典和精心筛选构建块(硅纳米柱)几何形状，本发明尝试并成功实现了幅度/相位选择的简并性，避免使用传统的空间复用，并促进了近/远场光学显示器。通过将超表面图案集成到液晶平台上并利用其对偏振光的各向异性特性，所提出的器件实际上具有电驱动可控能力，可在近/远场中实现四重复用动态显示。这种设备可以同时实现多场快速动态显示(毫秒级)，并能够用于智能动态显示、成像复用、信息加密/安全等领域。
50.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。