本发明涉及一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，属于微纳光学、彩色显示。
背景技术：
1、近年来，超构表面在光子多物理维度(振幅、相位、偏振、波长等)调控方面体现独特优势，同时基于超构表面亚波长尺度带来的信息容量大、体积小和易集成等诸多特点，在高分辨结构色、彩色全息显示和光学信息加密等领域具有广阔应用。
2、现有的偏振无依赖彩色纳米打印与全息超构表面基于3d集成的各向同性的结构，可以分别实现近场彩色纳米打印和远场彩色全息成像。3d集成的超构表面无疑会增加器件的尺寸以及设计复杂度，同时也会给微纳加工工艺带来额外的挑战。在此背景下，充分开发单层各向异性结构的参数自由度，基于单层超构表面实现偏振无依赖近场彩色纳米打印和远场彩色全息成像符合未来光子器件集成化的趋势，并且对制备工艺不提出额外的挑战，在技术和应用层面都具有深远的意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法。该功能的物理本质是在于实现r、g、b三基色的偏振无依赖复振幅调制。该复振幅调制依赖于组合的各向异性结构拓展的参数自由度，解决了各向同性结构难以实现三基色复振幅调制的难题。在此基础上，利用修正的全息算法迭代计算得到近场所需的振幅分布和远场的相位分布，并利用粒子群算法获得满足条件的超构表面结构。本发明为超构表面偏振无依赖彩色纳米打印和全息提供了一种全新的设计方法，可应用于彩色显示和信息加密等领域。
2、本发明基于各向异性超构表面偏振无依赖彩色纳米打印与全息；该方法中的超构表面是由多个不同几何尺寸且横截面为椭圆柱阵列排布构成。结合超单元中四个介质椭圆柱组合的琼斯矩阵以及目标彩色纳米打印和全息图迭代的复振幅实现超构表面的排布。通过控制入射光的偏振态，可在近场呈现彩色纳米打印图像，同时在远场呈现彩色全息图像。根据超构表面介质椭圆柱的几何尺寸与面内旋转角度，进而构成超构表面结构；生成加工版图文件，并制备加工，得到超构表面结构实物。
3、本发明目的是通过下述技术方案实现的。
4、一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，利用组合的各向异性结构实现r、g、b三基色的复振幅调制；复振幅调制依赖于组合的各向异性的单元结构拓展的参数自由度，达到各向同性结构实现三基色复振幅调制的目的；利用修正的全息算法迭代计算得到近场所需的振幅分布和远场的相位分布，并利用粒子群算法获得满足条件的超构表面结构，采用超构表面在正入射和任意偏振态条件下在近场呈现彩色纳米打印图像，同时在远场呈现彩色全息图像。
5、具体包括以下步骤：
6、步骤1)将近场和远场彩色目标图像分别分解为r、g、b三通道图像，利用修正gs迭代算法计算得到三基色通道的近场所需的振幅和远场相位分布图，所得到的振幅和相位记为a(λ)和φ(λ)，λ＝r,g,b表示三基色波长；
7、步骤2)用于实现偏振无依赖彩色纳米打印与全息的超构表面是由各向异性的结构组成，所述的单元结构可以在三基色上调控入射光场，传输特性可以由色散琼斯矩阵表示；所述的色散琼斯矩阵可以有如下所示：
8、
9、φx(λ)和φy(λ)分别表示沿椭圆柱长轴和短轴方向不同波长下的传输相位；β表示取向为θ的旋转矩阵；所述的用于实现偏振无依赖彩色纳米打印与全息的超构表面超单元由四个单元结构组成，传输特性可以用色散琼斯矩阵表示为：
10、
11、k表示超单元中四个单元结构的索引数，a11，a12,a21,a22和分别表示色散琼斯矩阵四个元素的振幅和相位；
12、步骤3)用于实现偏振无依赖彩色纳米打印与全息的超构表面是由多个不同几何尺寸和面内旋转角度的介质椭圆柱阵列排布构成；借助时域有限差分方法仿真计算，确定椭圆柱光场传输特性(相位和透过率)随椭圆柱尺寸变化的图像；
13、步骤4)依据步骤3)得到的椭圆柱传输相位图，根据公式(2)所需的振幅和相位分布；根据步骤1)得到的彩色纳米打印和全息复振幅，基于粒子群算法在数据库中选取合适的结构，排布超构表面彩色纳米打印和全息每个介质椭圆柱；生成加工版图文件，并制备加工，得到超构表面结构实物；
14、步骤5)将超构表面实物置于搭建的测试光路中，入射光为r、g、b三激光的合成白光，通过控制线偏振片和四分之一波片的角度产生任意的偏振态，在超构表面结构表面和特定位置的成像面上可分别得到对应的彩色纳米打印和彩色全息重建图像。
15、改变入射光偏振态，出射的彩色纳米打印和全息图像不发生变化，验证器件的偏振无依赖特性。
16、其中，单元结构由二氧化硅衬底和周期性排布的纳米椭圆柱结构组成，每个超单元由四个纳米椭圆柱组成，每个纳米椭圆柱的尺寸与面内旋转角度都不相同，四个纳米柱对光的调控作用由组合琼斯矩阵描述；每个纳米椭圆柱可以实现对r、g、b三基色的相位调制，四个单元的协同作用可以实现对光场的复振幅调制。
17、本发明通过对每个纳米椭圆柱结构尺寸和旋转角度的合理设计，可以将超构表面设计成一个双功能器件，同时展现近场彩色纳米打印和彩色全息。
18、本发明通过修正的gs相位迭代算法，将近场彩色目标振幅和远场彩色目标相位作为目标值引入到算法，实现所需的r、g、b三基色的相位和振幅值。
19、本发明基于粒子群算法在数据库中选取合适的结构，排布超构表面彩色纳米打印和全息每个介质椭圆柱；生成加工版图文件，并制备加工，得到超构表面结构实物。
20、本发明利用组合的各向异性结构拓展参数自由度，实现传统的各向同性结构无法实现的三基色复振幅调制，并且基于此展示偏振无依赖的近远场协同调控双功能器件，近场实现彩色纳米打印，远场实现彩色全息。
21、本发明公开了以下技术效果：
22、本发明中提供一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，通过控制r、g、b三基色合成白光，在近场和远场可以得到不同的彩色纳米打印和彩色全息图像，且实现的彩色纳米打印和全息与入射光的偏振无关。该复振幅调制依赖于组合的各向异性结构拓展的参数自由度，解决了各向同性结构难以实现三基色复振幅调制的难题。与传统的基于3d超构表面的技术相比，其优势在于集成化程度更高且设计、加工简单，可应用于彩色显示和信息加密等领域，具有广阔的应用前景。
1.一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，其特征在于：利用组合的各向异性结构实现r、g、b三基色的复振幅调制；复振幅调制依赖于组合的各向异性的单元结构拓展的参数自由度，达到各向同性结构实现三基色复振幅调制的目的；利用修正的全息算法迭代计算得到近场所需的振幅分布和远场的相位分布，并利用粒子群算法获得满足条件的超构表面结构；采用超构表面在正入射和任意偏振态条件下在近场呈现彩色纳米打印图像，同时在远场呈现彩色全息图像。
2.根据权利要求1所述的一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求书1所述的一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，其特征在于：所述的单元结构由二氧化硅衬底和周期性排布的纳米椭圆柱结构组成，每个超单元由四个纳米椭圆柱组成，每个纳米椭圆柱的尺寸与面内旋转角度都不相同，四个纳米柱对光的调控作用由组合琼斯矩阵描述；每个纳米椭圆柱实现对r、g、b三基色的相位调制，四个单元的协同作用实现对光场的复振幅调制。
4.根据权利要求书3所述的一种偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息协同实现方法，其特征在于：通过对每个纳米椭圆柱结构尺寸和旋转角度的合理设计，可以将超构表面设计成一个双功能器件，同时展现近场彩色纳米打印和彩色全息。
