本發(fā)明屬于微納光學(xué)超構(gòu)表面，尤其涉及一種基于法布里-珀羅(f-p)腔的超表面光場三維調(diào)控器件及光場調(diào)控方法與光學(xué)裝置。該器件通過將幾何相位超表面嵌入微納f-p腔中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場波長、相位和振幅的三維聯(lián)合調(diào)控，可廣泛應(yīng)用于光場調(diào)控、彩色全息顯示、光學(xué)防偽及信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、光場調(diào)控是對(duì)光的波長、相位、振幅、偏振等基本參量實(shí)現(xiàn)任意調(diào)制的過程，在各個(gè)應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域中扮演著重要的角色。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光場進(jìn)行多維度自由調(diào)控的需求越來越高。然而，傳統(tǒng)的光場調(diào)控器件調(diào)制能力有限、調(diào)制維度單一。

2、超表面是一種由亞波長結(jié)構(gòu)組成的新型材料，這種材料利用亞波長結(jié)構(gòu)與電磁波之間的強(qiáng)相互作用可以實(shí)現(xiàn)電磁波的空間控制，靈活地操縱光的基本特性，如振幅、相位、偏振和光譜響應(yīng)。

3、近年來，研究者嘗試將超表面與光學(xué)諧振腔結(jié)合以增強(qiáng)調(diào)控能力。法布里-珀羅(f-p)腔因其窄帶濾波特性和高場增強(qiáng)效應(yīng)，成為重要候選。然而，現(xiàn)有技術(shù)中f-p腔與超表面的結(jié)合多聚焦于單一功能(如波長選擇或相位調(diào)制)，未能實(shí)現(xiàn)波長、相位和振幅的獨(dú)立聯(lián)合調(diào)控。此外，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中腔體結(jié)構(gòu)與超表面的耦合常導(dǎo)致調(diào)控自由度受限，或引入復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，犧牲器件的緊湊性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)控維度受限、串?dāng)_高、集成度低等問題，本發(fā)明提供一種基于法布里-珀羅腔的超表面光場三維調(diào)控器件及光場調(diào)控方法與光學(xué)裝置，旨在解決目前超表面器件只能單獨(dú)調(diào)控光場復(fù)振幅或者單獨(dú)調(diào)控光場波長的局限性。本發(fā)明提供的超表面器件，在不犧牲集成度的前提下，可以實(shí)現(xiàn)波長、相位、振幅的三維聯(lián)合調(diào)控，增強(qiáng)了超表面的調(diào)控能力，可以應(yīng)用在光場調(diào)控、彩色全息與顯示等領(lǐng)域。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種基于法布里-珀羅腔的超表面光場三維調(diào)控器件，其特點(diǎn)在于，包括：

4、上反射層和下反射層，所述上反射層和下反射層構(gòu)成微納f-p腔；

5、超表面層，位于所述上反射層與下反射層之間，由亞波長周期排列的各向異性的介質(zhì)納米柱陣列構(gòu)成；其中，

6、所述超表面層通過調(diào)節(jié)所述介質(zhì)納米柱的長軸、短軸尺寸和方位角，獨(dú)立調(diào)控光場的波長、相位和振幅；

7、所述微納f-p腔的共振波長由所述介質(zhì)納米柱的等效折射率與f-p腔高度共同決定，且所述超表面層的相位調(diào)制，滿足關(guān)系式其中，θ為介質(zhì)納米柱的方位角。

8、進(jìn)一步地，所述的超表面層的振幅調(diào)制與介質(zhì)納米柱的交叉極化效率有關(guān)，通過改變介質(zhì)納米柱的形狀實(shí)現(xiàn)。

9、進(jìn)一步地，所述上下反射層構(gòu)成的微納f-p腔的其余部分由低折射率材料(或空氣)填充，填充材料和超表面材料的折射率相差越大越好，兩種材料的折射率差異決定了器件共振波長的調(diào)控范圍。

10、所述的超表面層基于幾何相位原理，超表面的周期尺寸在亞波長級(jí)別，由各向異性的介質(zhì)納米柱組成，具備相位調(diào)制和振幅調(diào)制功能。設(shè)計(jì)特定形狀、尺寸和方位角的介質(zhì)納米柱陣列可以獨(dú)立調(diào)制光場的相位和振幅。根據(jù)幾何相位原理，當(dāng)入射的右(左)旋圓偏光通過各向異性的介質(zhì)納米柱后將會(huì)變成左(右)旋圓偏光，并且攜帶一個(gè)相位，該相位和納米柱的方位角呈兩倍的關(guān)系。假設(shè)納米柱的方位角為θ，則右旋光入射超表面產(chǎn)生的左旋光的透射系數(shù)可以表示為：

11、

12、其中txx，tyy，分別代表x偏振方向和y偏振方向的透射振幅和相位，t+-中攜帶的相位因子是幾何相位，幾何相位的大小僅取決于納米柱的方位角，幾何相位和方位角θ之間滿足t+-前面的系數(shù)決定了交叉極化效率，即透射振幅，可以通過改變介質(zhì)納米柱的形狀來調(diào)節(jié)txx，tyy，具體地，通過改變納米柱長軸和短軸的長度實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，介質(zhì)納米柱的長軸和短軸之間的差越大，透射振幅越大?；谶@種設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制和相位調(diào)制，并且振幅調(diào)制和相位調(diào)制相互獨(dú)立。

13、所述的上反射層、下反射層為寬帶高反射層，由金屬薄膜或介質(zhì)/半導(dǎo)體分布式布拉格反射層構(gòu)成，兩層寬帶高反射層構(gòu)成微納f-p腔，能夠精準(zhǔn)的從寬帶的光波中濾出設(shè)計(jì)波長的光。光在上下兩層高反射表面之間來回反射，在特定波長下，多次反射的光波會(huì)形成峰值信號(hào)，而其他波長則相互抵消，透射頻譜會(huì)出現(xiàn)窄帶的高q值共振峰，其共振條件為：

14、λ＝2nefflcavitycosβ/m?(2)

15、其中，λ是共振波長，neff是f-p腔的等效折射率，lcavity是f-p腔的高度，β是入射角，m是級(jí)次，m＝1,2,3...，由公式(2)可知，改變f-p腔的高度和折射率，共振波長會(huì)隨之改變，本發(fā)明采取改變f-p腔的等效折射率neff來調(diào)控共振波長。通過改變嵌入f-p腔的介質(zhì)納米柱的尺寸大小，可以改變f-p腔的等效折射率neff，從而實(shí)現(xiàn)波長調(diào)控。波長的調(diào)節(jié)范圍δλ＝2δnefflcavity/m，其中δneff由超表面材料和f-p腔其余空間材料的折射率差異決定，兩種材料的折射率差距越大，可調(diào)節(jié)的波長范圍就越大。

16、將幾何相位超表面嵌入f-p腔中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光場波長、振幅和相位的三位聯(lián)合調(diào)控。對(duì)于該發(fā)明所述超表面器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：根據(jù)器件的設(shè)計(jì)工作波段選擇合適的材料做為上、下反射層，構(gòu)成f-p腔，并優(yōu)化f-p腔的高度和納米柱的尺寸，使其在設(shè)計(jì)工作波段出現(xiàn)窄帶共振峰。然后，調(diào)節(jié)納米柱的尺寸大小可以控制共振波長，調(diào)節(jié)納米柱的方位角和形狀可以控制相位和振幅。根據(jù)所需的超表面器件功能，計(jì)算相位和振幅分布，然后排列相應(yīng)尺寸、方位角和形狀的納米柱，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控器件光譜響應(yīng)的同時(shí)，塑造任意功能的波前。

17、本發(fā)明還提供一種光場調(diào)控方法，采用上述基于法布里-珀羅腔的超表面光場三維調(diào)控器件，其特點(diǎn)在于，包括以下步驟：

18、①根據(jù)目標(biāo)共振波長λ，通過調(diào)整介質(zhì)納米柱的長軸和短軸尺寸，改變f-p腔的等效折射率neff，并結(jié)合f-p腔的高度lcavity，使λ＝2nefflcavitycosβ/m，其中β是入射角，m是級(jí)次，m＝1,2,3...；

19、②通過旋轉(zhuǎn)介質(zhì)納米柱的方位角θ，按幾何相位原理加載0-2π的相位分布，滿足

20、③通過調(diào)節(jié)介質(zhì)納米柱的長軸與短軸差值δ(l-w)，控制交叉極化效率，實(shí)現(xiàn)透射振幅的獨(dú)立調(diào)制；

21、將波長、相位與振幅的獨(dú)立調(diào)控結(jié)合，生成具有特定光譜響應(yīng)和波前分布的光場。

22、進(jìn)一步，所述超表面器件用于多波長全息顯示時(shí)，劃分為多個(gè)獨(dú)立調(diào)控區(qū)域，各區(qū)域?qū)?yīng)不同共振波長的納米柱陣列，且每個(gè)區(qū)域內(nèi)納米柱的方位角和長軸/短軸差值按全息圖的相位與振幅分布排布，實(shí)現(xiàn)多通道彩色全息合成。

23、第三，本發(fā)明還提供一種光學(xué)裝置，包含上述基于法布里-珀羅腔的超表面光場三維調(diào)控器件，其特點(diǎn)在于，所述裝置為以下任一種：

24、彩色印刷器件，通過多波長納米柱陣列生成微納結(jié)構(gòu)彩色像素；

25、彩色全息顯示系統(tǒng)，利用多波長納米柱陣列及其相位和振幅調(diào)控實(shí)現(xiàn)彩色全息投影；

26、光學(xué)防偽標(biāo)簽，利用三維聯(lián)合調(diào)控特性生成不可復(fù)制的光學(xué)特征；

27、高密度信息存儲(chǔ)器件，通過波長-相位-振幅編碼實(shí)現(xiàn)多維光信息存儲(chǔ)。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：

29、在不犧牲集成度的前提下使用單個(gè)超表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場的波長、相位、振幅的三維聯(lián)合調(diào)控，在獨(dú)立控制光譜響應(yīng)的同時(shí)，可以塑造任意功能的波前。與一些傳統(tǒng)的技術(shù)相比，該器件對(duì)光譜響應(yīng)和復(fù)振幅的調(diào)制是獨(dú)立的，具有調(diào)控自由度高，調(diào)控能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。