周宇翀，丁瑋珺，李子樂(lè),2，劉宏超，付 嬈，戴 琦,2*，鄭國(guó)興,2*

1武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；

2鵬城實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；

3澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院，澳門 999078

1 引言

超表面(Metasurfaces)是一種亞波長(zhǎng)平面結(jié)構(gòu)材料，其具有能夠?qū)獠ǖ钠瘛⒄穹?、頻率及相位等基本參量進(jìn)行靈活調(diào)控的特性[1-9]，可用于研發(fā)高性能、高效率及高度集成的光學(xué)系統(tǒng)[10-18]，打造高分辨率、高信息密度以及超緊湊的新型光電子功能器件。例如，通過(guò)將金屬納米結(jié)構(gòu)的局域等離激元共振和納米微腔的法布里-珀羅諧振相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工作效率超過(guò)80%、全息圖像高保真的超表面計(jì)算全息片[9]。將馬呂斯定理引入超表面設(shè)計(jì)策略，可以實(shí)現(xiàn)理論分辨率高達(dá)84667 DPI (dots per inch)的連續(xù)灰度調(diào)控，發(fā)展高集成、高分辨率的超表面納米印刷術(shù)(metasurface image nanoprinting)[16,17]。相較于傳統(tǒng)光學(xué)材料，超表面不僅能與現(xiàn)有的二元光學(xué)工藝完美兼容，還具有更為優(yōu)越的光波調(diào)控能力。近年來(lái)，科學(xué)家們已相繼研發(fā)出超表面透鏡[19-24]、微納光柵[25-27]、光場(chǎng)相機(jī)[28]、矢量光束發(fā)生器[29-30]、光譜探測(cè)器[31-32]等新型超構(gòu)器件，極大增強(qiáng)了超表面在光電傳感、信號(hào)探測(cè)、激光通信等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

超表面對(duì)光波基本參量的精確操控主要通過(guò)改變其幾何形狀、尺寸參數(shù)、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、多原子組合方式、入射角度及材料折射率等實(shí)現(xiàn)，這種多設(shè)計(jì)自由度的特點(diǎn)意味著可以利用超表面同步調(diào)控多個(gè)光波參量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多路信息復(fù)用[33-37]，提升超表面的信息通道數(shù)量及信息容量[38-42]。例如，暨南大學(xué)包燕軍等人采用相干超胞元的設(shè)計(jì)方法，將多個(gè)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單個(gè)超胞元，通過(guò)同時(shí)對(duì)這些納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了不同入射角、工作波長(zhǎng)和偏振態(tài)下的二元灰度納米印刷圖像復(fù)用[33]。武漢大學(xué)鄧聯(lián)貴等人嘗試將馬呂斯定律和轉(zhuǎn)角簡(jiǎn)并性引入超表面設(shè)計(jì)中，提出了光波振幅和相位獨(dú)立調(diào)控的新模式，分別記錄、顯示了連續(xù)灰度圖像和全息圖像，為近、遠(yuǎn)場(chǎng)的功能復(fù)用研究開辟了一條全新的道路[36]。德國(guó)海德堡大學(xué)劉娜等人通過(guò)氫化和脫氫的過(guò)程改變法布里-珀羅微腔的腔體折射率，實(shí)現(xiàn)了光波振幅調(diào)控和相位調(diào)控的動(dòng)態(tài)切換，在超表面的近、遠(yuǎn)場(chǎng)成功建立兩個(gè)信息通道[37]。澳大利亞墨爾本大學(xué)溫丹丹等人通過(guò)優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)的尺寸和空間位置，同時(shí)調(diào)控光波光譜和迂回相位，也在超表面的近、遠(yuǎn)場(chǎng)分別實(shí)現(xiàn)了納米印刷圖像和全息圖像的獨(dú)立顯示[39]。中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所蒲明博等人通過(guò)表面等離子體極化子(surface plasmon polariton,SPP)在窄譜帶內(nèi)激發(fā)的光子自旋軌道相互作用，對(duì)振幅和相位同時(shí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)一幅彩色圖像和三幅全息圖像的分別編碼[41]。武漢大學(xué)楊睿等人通過(guò)融合迂回相位和幾何相位，利用片上超表面將導(dǎo)波以圓偏光的形式耦合到自由空間中，打破了此前片上超表面沿傳播方向上相位簡(jiǎn)并的局限性，實(shí)現(xiàn)了可獨(dú)立編碼的四通道遠(yuǎn)場(chǎng)全息顯示復(fù)用[42]。

在早先工作中，已經(jīng)證明可以使用空間頻率復(fù)用原理設(shè)計(jì)超表面實(shí)現(xiàn)雙路信息記錄[40]。本文通過(guò)建立空間頻率復(fù)用和多光參量調(diào)控之間的聯(lián)系，提出了一種全新的多功能超表面圖像顯示技術(shù)，可以將三幅獨(dú)立圖像(灰度圖像、高頻圖像和低頻圖像)的信息同時(shí)記錄到單個(gè)超表面上，且僅使用了單尺寸納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。圖1 展示了這種多功能超表面的工作過(guò)程：通過(guò)利用光學(xué)起偏器和檢偏器，可以控制入射、反射光的偏振態(tài)，在超表面近場(chǎng)顯示一幅連續(xù)灰度納米印刷圖像；使用圓偏振態(tài)激光入射，可以在超表面遠(yuǎn)場(chǎng)空間觀察到全息圖像，并且在不同工作距離處分別獲取高頻、低頻信息。該項(xiàng)融合空頻復(fù)用和近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用的多功能超表面具有超緊湊、信息容量高、信息隱蔽性高等優(yōu)勢(shì)，在光學(xué)防偽、信息加密、光學(xué)信息編碼、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

圖1 融合空頻復(fù)用和近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用的多功能超表面圖像顯示示意圖Fig.1 Schematic diagram of the multifunctional metasurface image display enabled by merging spatial frequency multiplexing and near-and far-field multiplexing

2 基本原理

2.1 近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用原理

為簡(jiǎn)化超表面的加工過(guò)程，選用半導(dǎo)體 SOI(silicon-on-insulator)材料構(gòu)建超表面。SOI 材料由硅襯底、氧化層和頂層硅三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，基于其構(gòu)建的SOI 超表面納米結(jié)構(gòu)單元如圖2(a)所示，從上至下依次為頂層納米磚(nanobrick)、中間氧化層和硅襯底。其中，納米磚和襯底均為晶體硅材料，氧化層為二氧化硅材料。納米磚長(zhǎng)軸與x軸夾角定義為納米磚的轉(zhuǎn)角θ，納米磚周期尺寸、長(zhǎng)、寬和高度分別為C、L、W和H1，氧化層高度為H2。由于晶體硅對(duì)于可見(jiàn)光具有吸收作用，因此SOI 超表面只能工作于反射模式[17,38]，其納米結(jié)構(gòu)單元的瓊斯矩陣可表示為

圖2 超表面單元結(jié)構(gòu)及調(diào)控原理。(a)納米結(jié)構(gòu)單元示意圖；(b)幾何相位延遲量與納米磚轉(zhuǎn)角的關(guān)系；(c)出射光強(qiáng)度與納米磚轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.2 Unit-cell structure and optical manipulation principle of the multifunctional metasurface.(a) Illustration of the nanostructure unit-cell;(b) The relationship between geometric phase delay and the orientation angle of the nanobrick;(c) The relationship between the output intensity and the orientation angle of the nanobrick

其中：G為光學(xué)元件的特征矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣。rl和rs分別代表納米結(jié)構(gòu)單元滿足條件θ=0°時(shí)在長(zhǎng)、短軸方向的反射系數(shù)。若一束圓偏振光入射到該結(jié)構(gòu)，其出射光的瓊斯矩陣可表示為

顯然，只要超表面的納米結(jié)構(gòu)單元為各向異性(rl≠rs)，輸出光場(chǎng)中總會(huì)含有與入射光旋向相反的圓偏振光，且攜帶的相位調(diào)控量與納米磚轉(zhuǎn)角存在定量關(guān)系：φ=±2θ。其中，“+”對(duì)應(yīng)左旋圓偏振(lefthanded circularly polarized，LCP)入射光，“-”對(duì)應(yīng)右旋圓偏振 (right-handed circularly polarized，RCP)入射光，如圖2(b)所示。這種相位調(diào)控方式又被稱為幾何相位調(diào)控，可以用Pancharatnam-Berry phase 概念解釋[43-45]。不同于通過(guò)改變納米磚幾何尺寸來(lái)改變相位延遲量的方式[46-47]，幾何相位僅通過(guò)改變納米磚轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控。然而，在超表面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，仍然需要對(duì)納米磚的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保持較高的偏振轉(zhuǎn)化效率(|rl-rs|2/4)，從而提高超表面的工作效率。

納米磚轉(zhuǎn)角除了可以被用來(lái)進(jìn)行幾何相位調(diào)控外，還能通過(guò)偏振控制用于實(shí)現(xiàn)光波強(qiáng)度調(diào)控[16-17]。在普通光學(xué)起偏器和檢偏器組成的偏振控制光路下，可在出射光波強(qiáng)度與納米磚轉(zhuǎn)角θ之間建立映射關(guān)系：

其中：α1和α2分別為起偏器和檢偏器的透光軸與x軸方向的夾角，I0為入射光經(jīng)過(guò)起偏器后的光強(qiáng)。入射光在依次經(jīng)過(guò)起偏器、納米結(jié)構(gòu)單元和檢偏器之后，出射光強(qiáng)度可被調(diào)制為Iout。

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的四臺(tái)階調(diào)控和對(duì)強(qiáng)度的連續(xù)調(diào)控，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，考慮使起偏器和檢偏器的透光軸方向相互垂直。本方案中，設(shè)計(jì)α1和α2分別為-π/4 和π/4，則Iout可表示為

Iout隨θ的變化規(guī)律如圖2(c)所示。可以看出，納米結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的偏振控制下能夠被用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)光強(qiáng)調(diào)控，且θ從0 增加到π 時(shí)Iout經(jīng)歷了兩個(gè)變化周期，這意味著Iout與θ之間存在著“一對(duì)四”的映射關(guān)系，即同樣的Iout可采用四種θ值設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)θ分別取值為θ0、π/2-θ0、π/2+θ0和π-θ0時(shí)，其出射光強(qiáng)度均為Iout=I0·|A-B|2/4·cos2(2θ0)，而對(duì)應(yīng)的幾何相位調(diào)控量φ分別為2θ0、π-2θ0、π+2θ0和2π-2θ0(0 ＜θ0＜ π/4)。因此，通過(guò)建立納米磚的轉(zhuǎn)角優(yōu)選機(jī)制，可以在保證連續(xù)光強(qiáng)調(diào)控的基礎(chǔ)上增加四臺(tái)階的相位調(diào)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用。

2.2 空間頻率復(fù)用原理

空間頻率復(fù)用是指將兩個(gè)或多個(gè)圖像的不同空間頻率段融合成為一個(gè)圖像，并在不同距離處觀察到不同的空間頻率成分[48]。圖3(a)展示了人眼觀測(cè)正弦波圖像的數(shù)學(xué)模型，一幅圖像的真實(shí)空間頻率為(nx/dx，ny/dy)，對(duì)應(yīng)人眼觀測(cè)到的空間頻率為(nx/θx，ny/θy)。其中，nx和ny分別代表圖像水平和豎直方向上的正弦波周期個(gè)數(shù)，dx和dy分別代表圖像的寬度和高度，θx和θy分別代表圖像在水平、豎直方向的對(duì)向視角。因此，只需確定θx和θy即可獲得人眼觀測(cè)到的空間頻率。由圖3(a)中幾何關(guān)系不難得出：

圖3 人眼觀測(cè)模型與空間頻率復(fù)用示例。(a)人眼對(duì)正弦波圖像的觀測(cè)示意；(b)對(duì)比敏感函數(shù)；(c)圖像P1；(d)圖像P2；(e)取圖像P1 的高頻部分與圖像P2 的低頻部分并進(jìn)行合成得到混合圖像PiFig.3 Observation characteristics of the human eye and an example of spatial frequency multiplexing.(a) Illustration of the human eye's observation of a sine wave image;(b) Contrast sensitive functions;(c) Image P1;(d) Image P2;(e) Merged image Pi generated by combining the high-frequency part of P1 and the low-frequency part of P2

其中：r0、γ1和γ2分別為眼睛相對(duì)圖像中心點(diǎn)的距離、水平方向夾角及豎直方向夾角。顯然，當(dāng)人眼與圖像中心距離r0增大時(shí)，觀測(cè)視角θx和θy將減小，人眼觀測(cè)到的空間頻率會(huì)增大。

要深入分析人眼在不同距離接收到的圖像空間頻率成分，還應(yīng)該引入對(duì)比敏感函數(shù) (contrast sensitivity function，CSF)來(lái)解釋[49]。CSF 函數(shù)可以用來(lái)衡量人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)不同視覺(jué)刺激的敏感性，它反映了人眼對(duì)不同空間頻率目標(biāo)亮度的辨別力區(qū)別，其指數(shù)形式表達(dá)式為

其中：c、k1和k2均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，f0是曲線峰值頻率，fr是空間頻率。CSF 函數(shù)呈先增后減的變化趨勢(shì)，大致分布如 圖3(b)所示?？梢钥闯觯搜蹖?duì)8 周/度(c/d)空間頻率的敏感度處于峰值，且高敏感區(qū)域集中在3～20 c/d 空間頻率范圍內(nèi)。因此，在設(shè)計(jì)將不同圖像P1(圖3(c))、P2(圖3(d))的高低頻信息融合產(chǎn)生融合圖像Pi(圖3(e))時(shí)，需要考慮圖像的空間頻率分布。例如，在距離融合圖像Pi較近時(shí)，人眼接收到的空間頻率整體變小，融合圖像的高頻部分落入人眼敏感頻率區(qū)域內(nèi)，此時(shí)能夠看到圖像P1的信息；在距離圖像Pi較遠(yuǎn)時(shí)，人眼接收到的空間頻率整體變大，此時(shí)融合圖像的低頻部分落入人眼敏感頻率區(qū)域內(nèi)，能夠看到圖像P2的信息?；谶@一特性，可以考慮以圖像的高、低頻率部分分別作為明文與密文，發(fā)展其在光學(xué)信息加密方面的應(yīng)用。

3 多功能超表面設(shè)計(jì)

基于提到的近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用及空間頻率復(fù)用原理，可設(shè)計(jì)出同時(shí)記錄三幅圖像信息的多功能超表面，設(shè)計(jì)流程如圖4(a)所示。其中，一幅大小為500 pixels×500 pixels 的近場(chǎng)圖像(near-field image)作為強(qiáng)度調(diào)控下的目標(biāo)圖像，圖像P1的高頻成分(highfrequency image)和圖像P2的低頻成分(low-frequency image)用于設(shè)計(jì)相位調(diào)控型全息圖像。設(shè)計(jì)超表面時(shí)，首先需要根據(jù)近場(chǎng)目標(biāo)圖像的強(qiáng)度分布，結(jié)合公式(4)，計(jì)算出超表面納米磚陣列的初始轉(zhuǎn)角分布，此時(shí)納米磚初始轉(zhuǎn)角取值滿足0 ＜θ0＜ π/4。本工作選取了8 c/i (cycle/image)和20 c/i 分別作為低通濾波器和高通濾波器的空間截止頻率，將圖像P1的高頻成分與圖像P2的低頻成分疊加，計(jì)算出融合圖像(hybrid image) Pi作為遠(yuǎn)場(chǎng)全息的目標(biāo)圖像。最后，為了在同一超表面上同時(shí)編碼近場(chǎng)灰度納米印刷圖像和遠(yuǎn)場(chǎng)全息圖像，需要采用模擬退火算法對(duì)超表面納米磚陣列的轉(zhuǎn)角分布進(jìn)行優(yōu)化[36,50]，從(0，π/4)、(π/4，π/2)、(π/2，3π/4)和(3π/4，π)四個(gè)區(qū)間中優(yōu)選出能同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)光強(qiáng)調(diào)控和4 臺(tái)階相位調(diào)控的轉(zhuǎn)角取值，最終優(yōu)化后的超表面納米磚陣列的轉(zhuǎn)角分布如圖4(b)所示。

圖4 多功能超表面設(shè)計(jì)流程與優(yōu)化結(jié)果。(a)多功能超表面設(shè)計(jì)流程；(b)多功能超表面納米磚陣列轉(zhuǎn)角分布優(yōu)化結(jié)果；(c)多功能超表面納米結(jié)構(gòu)單元的反射率分布；(d-g)不同波長(zhǎng)下相位延遲總量與納米磚轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.4 Design flow chart and optimization results of the multifunctional metasurface.(a) Design flow chart of the multifunctional metasurface;(b) The final optimized orientation distribution of the multifunctional metasurface;(c) Simulated reflectivity of the cross-polarized and co-polarized parts under a normal circularly polarized light incidence;(d-g) The relationship between the total phase delay and the orientation angle of the nanobrick at different wavelengths

根據(jù)2.1 節(jié)，SOI 超表面工作于可見(jiàn)光時(shí)只能采用反射工作模式。基于此，借助CST Microwave Studio 仿真軟件對(duì)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種具有寬帶響應(yīng)特性的超表面單元結(jié)構(gòu)。本文所采用SOI 材料的氧化層厚度H2為2000 nm，頂層硅厚度H1為220 nm。為避免高階衍射光影響實(shí)驗(yàn)效果，將超表面納米結(jié)構(gòu)單元的周期尺寸C定義為300 nm。在此基礎(chǔ)上，對(duì)納米磚的長(zhǎng)L和寬W進(jìn)行掃描，優(yōu)化出具有較高偏振轉(zhuǎn)換效率的單元結(jié)構(gòu)。最終，優(yōu)化好的納米磚長(zhǎng)度L為140 nm，寬度W為95 nm，偏振轉(zhuǎn)化效率如圖4(c)所示，在520～ 570 nm 和590～610 nm 范圍內(nèi)均具有較好的工作響應(yīng)。所設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)具備良好的魯棒性，當(dāng)納米磚轉(zhuǎn)角變化時(shí)，出射光的相位延遲總量與納米磚轉(zhuǎn)角依然基本符合2 倍的變換關(guān)系。因此，可采用優(yōu)化的納米結(jié)構(gòu)單元幾何參數(shù)及納米磚陣列轉(zhuǎn)角分布數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB 工具產(chǎn)生納米磚陣列的圖案進(jìn)行超表面的設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 超表面加工

超表面樣片的加工工藝流程如圖5 所示。第一步，將SOI 材料依次浸入丙酮、乙醇和去離子水中，利用超聲波進(jìn)行清洗，清洗完畢后使用熱板將其干燥，并均勻涂抹一層PMMA 材料作為電子束抗蝕劑。第二步，采用標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻(electron-beam lithography，EBL)在PMMA 層上產(chǎn)生納米磚陣列的掩膜圖案。第三步，分別將樣片浸泡在MIBK、IPA 為3:1 的稀釋溶液和IPA 溶液中，進(jìn)行顯影、定影操作，去除PMMA 材料中與納米磚陣列掩膜圖案重合的部分。第四步，在樣品上沉積30 nm 厚的鉻薄膜，此時(shí)PMMA 層和SOI 材料表面均產(chǎn)生有一層鉻膜。第五步，將樣品浸泡在75 ℃的熱丙酮溶液中并使用超聲波對(duì)該樣片進(jìn)行清洗，去除樣片上覆蓋的PMMA 材料，同時(shí)保留納米磚陣列掩膜圖案所在部分的鉻薄膜。第六步，使用反應(yīng)離子蝕刻 (reactive ion etching，RIE)技術(shù)對(duì)頂層晶體硅材料進(jìn)行蝕刻，所需的納米磚陣列結(jié)構(gòu)由于鉻薄膜的保護(hù)作用被成功保留。最后，使用鉻蝕刻液去除剩余部分的鉻膜，完成超表面樣片加工。利用上述工藝，本文加工了一片像素?cái)?shù)為500×500、大小為150 μm×150 μm 的超表面樣片，其局部電鏡圖如圖5(b)所示。

圖5 SOI 超表面樣片加工工藝流程及樣片局部電鏡圖。(a) SOI 超表面樣片加工工藝流程；(b)樣片局部電鏡圖Fig.5 SOI metasurface sample fabrication process and localized SEM image of the sample.(a) SOI metasurface sample fabrication process;(b) Partial scanning electron microscope image of the sample

4.2 近、遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置

多功能超表面分別在近、遠(yuǎn)場(chǎng)顯示納米印刷圖像和全息圖像，其實(shí)驗(yàn)觀測(cè)裝置和光路如圖6 所示。近場(chǎng)的灰度納米印刷圖像利用光學(xué)顯微鏡 (Motic BA310MET-T)進(jìn)行觀測(cè)，并采用寬帶LED 為照明光源，如圖6(a)所示。納米印刷圖像理論上可在樣片表面被觀測(cè)到，然而，由于加工的樣片尺寸僅150 μm×150 μm，難以被肉眼直接觀察，故采用了光學(xué)顯微鏡進(jìn)行放大成像，延長(zhǎng)了其觀測(cè)距離。該實(shí)驗(yàn)中，入射光經(jīng)過(guò)起偏器后變?yōu)槠穹较蚩烧{(diào)的線偏振光，經(jīng)反射鏡反射并照射到超表面樣片上，受納米磚陣列調(diào)控后直接反射，經(jīng)過(guò)檢偏器后產(chǎn)生目標(biāo)光強(qiáng)分布場(chǎng)，最終被CMOS 相機(jī)探測(cè)。遠(yuǎn)場(chǎng)的全息成像實(shí)驗(yàn)光路如圖6(b)所示，主要由激光器、起偏器、四分之一波片(quarter-wave plate，QWP)、超表面樣片和光屏構(gòu)成，其中光屏大小約為30 cm×30 cm，與樣片間距約20 cm。該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整起偏器和四分之一波片的透光軸方向，將激光偏振態(tài)調(diào)制為左旋圓偏振光，該激光束照射到超表面樣片后，將受到相位調(diào)控并在反射空間內(nèi)衍射，最終在光屏上形成全息圖像。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

近場(chǎng)的納米印刷圖像觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，起偏器、檢偏器的透光軸角度分別設(shè)置為-π/4 和π/4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，圖中白色標(biāo)尺實(shí)際長(zhǎng)度為50 μm。在未插入濾光片時(shí)觀察到的實(shí)驗(yàn)圖像如圖7(a)所示，可以清晰地分辨出“貓”的輪廓和眼睛、鼻子、嘴巴等細(xì)節(jié)。為進(jìn)一步觀察其在不同波長(zhǎng)下的響應(yīng)，在顯微系統(tǒng)中分別置入了中心波長(zhǎng)為570 nm、580 nm、610 nm 和633 nm 的濾波片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(b-e)所示。4 個(gè)波長(zhǎng)下均能分辨出“貓”的輪廓，但分辨率和成像質(zhì)量有所下降，這主要是由于置入濾波片后入射光能量急劇下降導(dǎo)致了成像質(zhì)量變差，其次，加工誤差也將影響超表面樣片在不同波長(zhǎng)下的實(shí)際工作效率。盡管加工會(huì)導(dǎo)致某個(gè)特定波長(zhǎng)下工作效率的降低，但由于本文提出的設(shè)計(jì)方案中光波強(qiáng)度調(diào)控僅與納米磚轉(zhuǎn)角θ有關(guān)，故超表面樣片在寬帶光源下依然能夠保持良好的工作效果。

圖7 近場(chǎng)納米印刷圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)白光照射下的實(shí)驗(yàn)圖像；(b-e)不同波長(zhǎng)下的實(shí)驗(yàn)圖像Fig.7 Experimentally captured nanoprinting images in the near-field.(a) Experimental nanoprinting image under white light illumination;(b-e) Experimental nanoprinting images at different wavelengths

基于空間頻率復(fù)用的遠(yuǎn)場(chǎng)全息圖像計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。圖8(a,f,k)為全息圖像的優(yōu)化目標(biāo)，圖8(b-e)為使用商用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D5100)拍攝的570 nm、590 nm、600 nm 和610 nm 波長(zhǎng)下的遠(yuǎn)場(chǎng)全息圖像，圖8(g-o)為四個(gè)工作波長(zhǎng)下分別利用高、低通濾波處理全息圖像后得到的結(jié)果。由于拍攝角度限制，實(shí)驗(yàn)圖像輕微變形，但仍能夠與目標(biāo)圖像相匹配。提取后的高、低頻圖像中的英文字母及數(shù)字可以被辨認(rèn)出來(lái)，文字“高頻”效果明顯，文字“低頻”通過(guò)增加觀察距離也可以被直接觀測(cè)到。通過(guò)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中調(diào)整光屏與超表面樣片之間的距離，也可以直接肉眼觀察到高、低頻圖像，其與采用高、低通算法進(jìn)行濾波的結(jié)果相比效果基本一致。

圖8 遠(yuǎn)場(chǎng)全息圖像設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)全息目標(biāo)圖像；(b-e)不同波長(zhǎng)下的全息圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(f)全息目標(biāo)圖像中提取的高頻信息部分；(g-j)不同波長(zhǎng)下的全息圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果中提取的高頻信息部分；(k)全息目標(biāo)圖像中提取的低頻信息部分；(g-j)不同波長(zhǎng)下的全息圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果中提取的低頻信息部分Fig.8 Design and experimental results of holographic images in the far-field.(a) Designed holographic image;(b-e) Experimentally captured holographic images at different wavelengths;(f) High spatial frequency components of the designed image;(g-j) High spatial frequency components of experimentally captured holographic images at different wavelengths;(k) Low spatial frequency component of the designed image;(l-o) Low spatial frequency components of experimentally captured holographic images at different wavelengths

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種融合空頻復(fù)用和近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用的多功能超表面。通過(guò)引入轉(zhuǎn)角簡(jiǎn)并性，將連續(xù)強(qiáng)度調(diào)控與幾何相位調(diào)控相結(jié)合，在超表面的近、遠(yuǎn)場(chǎng)分別實(shí)現(xiàn)了灰度納米印刷和相位調(diào)控型全息的功能復(fù)用。利用人眼對(duì)圖像空間頻率信息的敏感響應(yīng)，成功將不同圖像的高、低頻信息融合成一幅全息圖像并通過(guò)高、低通濾波器模擬不同觀察距離的人眼響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)了高、低頻圖像信息的解碼?？疹l復(fù)用和近遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)用的有機(jī)融合極大拓展了超表面的設(shè)計(jì)自由度，使得一片超表面在單胞元納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略下能夠同時(shí)記錄三幅圖像(灰度圖像、高頻圖像和低頻圖像)，為超表面的多功能集成和多路信息復(fù)用提供了一種新的思路。這種超表面同時(shí)具備高信息容量和多功能集成的優(yōu)勢(shì)，在光學(xué)信息加密、高密度信息儲(chǔ)存和高端產(chǎn)品防偽等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。