基于水凝胶的可编程超表面及其实现动态图像显示的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水凝胶的可编程超表面及其实现动态图像显示的方法，可编程超表面由顶层金属

【技术实现步骤摘要】
基于水凝胶的可编程超表面及其实现动态图像显示的方法


[0001]本专利技术涉及微纳光学
，具体涉及一种基于水凝胶的可编程超表面及其实现动态图像显示的方法。

技术介绍

[0002]超表面对电磁波具有灵活的振幅、相位、偏振调控能力，在操纵光方面表现出巨大的潜力，被广泛用于光学图像显示领域。然而，可见光波段中的大多数超表面器件只能静态工作，限制了其在现实中的进一步应用。尽管目前研究出了各种作用于超表面的动态调控方法，但仍缺少一种大面积、低能耗和低成本的简易调控技术。作为自然界中普遍存在的绿色物质，水在近几年常被尝试用作激励源来解决上述问题，一种典型的方案是通过将水完全浸润超表面，改变纳米结构周围的有效环境折射率，从而增强等离子体共振、米氏共振或法诺共振等的光学响应；另一种新兴方案是采用湿度响应材料，如水凝胶，其可通过从潮湿环境中吸收或释放水分子而相应地膨胀或坍缩。
[0003]目前基于浸润或者湿度的调控方法仅能实现小范围的光谱调制，如何在调控过程中实现可独立编码的像素级动态显示，仍未被充分探索，亟待新的创新和革命。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术提供了基于水凝胶的可编程超表面及其实现动态图像显示的方法。用此方法，可以通过几何参数优化设计四种单元结构，在不同环境湿度下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅响应用于独立编码；排布组成的超表面可以通过湿度调控，实现工作波长下纳米印刷图像或全息图像的动态实时切换。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供的一种基于水凝胶的可编程超表面，其特征在于：
[0007]所述超表面由多个不同几何形状的单元结构排布于同一平面构成；
[0008]所述单元结构用于实现可编程超表面，由三层材料组成：顶层金属
‑
中间层水凝胶
‑
底层金属；其中水凝胶层是具有几何形状的特定结构；通过对结构的几何参数优化，使得单元结构在不同环境湿度下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅响应用于独立编码；
[0009]所述单元结构包括以下四种：
[0010](1)单元结构#1为不带转角的长方体纳米天线，在两种状态下都显示低反射率，用于编码00；
[0011](2)单元结构#2为不带转角的T型纳米天线，在干燥和湿润状态下分别显示低反射率和高反射率，用于编码01；
[0012](3)单元结构#3为转角15度的长方体纳米天线，在干燥和湿润状态下分别显示高反射率和低反射率，用于编码10；
[0013](4)单元结构#4只包含底层银膜，在两种状态下都显示高反射率，用于编码11。
[0014]作为优选方案，所述顶层金属
‑
中间层水凝胶
‑
底层金属三层结构的金属层材料为银，水凝胶层材料为聚乙烯醇；
[0015]进一步地，所述结构参数包括底层金属中间层水凝胶和顶层金属的厚度；所述四种单元结构的各纳米天线的长度、宽度和转角；
[0016]所述底层金属
‑
中间层水凝胶纳米天线
‑
顶层金属的结构参数均为亚波长尺度。
[0017]更近一步地，所述水凝胶层的厚度对环境的相对湿度响应，即水凝胶层的厚度随相对湿度变化，最大能膨胀至两倍。
[0018]更近一步地，所述底层金属的厚度为100nm，水凝胶层的厚度为80nm，顶部金属的厚度为20nm。
[0019]第二方面，本专利技术提供一种基于水凝胶的可编程超表面实现动态图像显示的方法，其特征在于：利用以上任一所述的基于水凝胶的可编程超表面，基于湿度调控以实现超表面动态光学图像显示，包括以下步骤：
[0020]通过电磁仿真计算，扫描大量不同几何尺寸的各类单元结构，搜索出用于振幅编码的四种单元结构；
[0021]确定不同环境湿度下待显示的两幅纳米印刷图像和全息图像；
[0022]依据退火算法计算出实现全息图像切换所需波前的振幅；
[0023]按照所计算的波前将四种单元结构有序排列成超表面；
[0024]在不同湿度环境下用特定波长光线照射超表面，对应的反射光线显示不同的纳米印刷和全息图像，以实现动态图像显示功能。
[0025]上述基于水凝胶的可编程超表面及其实现动态图像显示的方法的应用范围包括：所述基于水凝胶的可编程超表面在工作波长下，通过改变环境湿度，显示出纳米印刷图像和全息图像的动态切换，该超表面器件为亚波长尺度的动态图像显示提供了一种简易的调控手段。
[0026]相比现有技术，本专利技术具有如下优点和有益效果：
[0027]本专利技术利用共振模式的转移来实现振幅独立调控具备独特创新的优势，具体为：
[0028](1)实现了湿度调控的动态全息成像和纳米印刷成像，这是传统的器件无法实现的。
[0029](2)利用水凝胶吸水膨胀的特性，使得单元结构的主要共振模式发生变化，实现了不同湿度下对振幅的独立编码，为动态微纳光学器件提供了新的范例。
[0030](3)本专利技术设计的可编程超表面，有望在多个不同湿度下，实现多个通道的全息成像以及纳米印刷等功能。
附图说明
[0031]图1是本专利技术实施例1中基于水凝胶的超表面整体功能示意图；
[0032]图2是本专利技术实施例1中基于水凝胶的超表面阵列和单元结构示意图；
[0033]图3是本专利技术实施例1中所设计并制造的样品的局部扫描电子显微镜图像；
[0034]图4是本专利技术实施例1中所制造的超表面的加工流程图；
[0035]图5是本专利技术实施例1中几种单元结构的示意图以及电磁仿真的电场图，说明单元结构能在不同湿度下激发不同的共振模式；
[0036]图6是本专利技术实施例1中几种单元结构分别在干燥和湿润状态下实验测量的反射率光谱；
[0037]图7是本专利技术实施例2中超表面实现动态纳米印刷图像显示的实验光路示意图；
[0038]图8是本专利技术实施例2中通过呼气进行湿度调控的实验装置示意图；
[0039]图9是本专利技术实施例2中不同湿度下工作波段的纳米印刷成像的实验效果图；
[0040]图10是本专利技术实施例3中超表面实现动态全息图像显示的实验光路示意图；
[0041]图11是本专利技术实施例3中在两个工作波长下动态全息成像的实验效果图。
具体实施方式
[0042]为了更清楚的说明本专利技术结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0043]实施例1
[0044]本实施例为基于水凝胶的可编程超表面的四种单元结构的振幅调控功能，及其仿真和实验结果。
[0045]作为实施例，首先确定超表面的单元结构为金属
‑
水凝胶
‑
金属结构，如图2所示，由底层银
‑
水凝胶纳米天线
‑
顶层银膜形成法布里珀罗腔。实际通过纳米制造工艺制作出的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水凝胶的可编程超表面，其特征在于：所述超表面由多个不同几何形状的单元结构排布于同一平面构成；所述单元结构用于实现可编程超表面，由三层材料组成：顶层金属
‑
中间层水凝胶
‑
底层金属；其中水凝胶层是具有几何形状的特定结构；通过对结构的几何参数优化，使得单元结构在不同环境湿度下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅响应用于独立编码；所述单元结构包括以下四种：(1)单元结构#1为不带转角的长方体纳米天线，在两种状态下都显示低反射率，用于编码00；(2)单元结构#2为不带转角的T型纳米天线，在干燥和湿润状态下分别显示低反射率和高反射率，用于编码01；(3)单元结构#3为转角15度的长方体纳米天线，在干燥和湿润状态下分别显示高反射率和低反射率，用于编码10；(4)单元结构#4只包含底层银膜，在两种状态下都显示高反射率，用于编码11。2.根据权利要求1所述的基于水凝胶的可编程超表面，其特征在于：所述顶层金属
‑
中间层水凝胶
‑
底层金属三层结构的金属层材料为银，水凝胶层材料为聚乙烯醇。3.根据权利要求1或2所述的基于水凝胶的可编程超表面，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李仲阳，胡婉林，代尘杰，万帅，李哲，唐娇，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：