CN108922374B - 一种实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构，包括至下而上的金属衬底、金属亚波长结构和介质保护层，其中介质保护层只有选用的金属材料易氧化才需要。通过金属亚波长结构激发的传播表面等离子共振和局部表面等离子共振的共同作用，得到超窄带圆偏振极化转换，实现高纯度色彩显示。通过旋转各向异性结构，可在不改变结构色彩的同时引入几何相位，交并结合计算全息编码可在远场得到完全不同的全息像。通过改变亚波长结构周期和尺寸，叉圆极化谱线峰值波长可覆盖整个光波段，从而实现全色彩显示。基于该结构的防伪技术可实现逐级排查，结构色易用初检验，全息用于终检验。本发明安全等级高，母版仿制门槛高、短时间无法仿制，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及宽电磁波相位调控和频谱选择技术领域，特别涉及一种实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构。
背景技术
从宽带光源把特定波长范围滤出即可出现结构色。由于结构色具有耐用性好、显示度好、易于观察等优势，在彩色显示、数字成像以及防伪技术中具有重要的应用价值。目前结构色方面的研究，是通过结构对光谱选择性透射、反射或者吸收来产生颜色，导致结构色器件只能利用光谱强度信息，而无法使用相位信息。利用计算全息技术，可将信息编码为相位或者振幅分布，再通过特定的光源可解码信息。全息技术具备信息容量大、保密性好等优点，在数据存储、投影显示及防伪技术等领域发挥重要作用。防伪技术，需要难以复制和仿制、成本合理、易于检验、安全等级高等要求。然而，单一结构色器件信息容量和安全等级受限，而单纯全息板检验方便比较复杂。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构，通过引入亚波长结构并对反射谱线和相位进行人为调制，可同时实现结构色和全息双重防伪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构，该器件至下而上包括金属衬底、金属亚波长结构和介质保护层，其中介质保护层只有选用的金属材料易氧化才需要；该类亚波长结构通过调节结构参数能在不同峰位处实现窄带圆偏振极化转换，从而得到高纯度彩色显示；通过利用计算全息编码技术得到不同颜色的相位分布，再根据相位分布结合旋转亚波长结构引入的几何相位，从而实现结构色和全息双重防伪。
其中，所述金属亚波长结构的厚度为d，其取值范围为d>10δ0，δ0为金属的趋肤深度。
其中，所述金属亚波长结构的厚度为h，其取值范围为h<λ0/10，λ0为交叉圆极化峰值波长。
其中，所述介质保护层的厚度为t，其取值范围为t<λ0/50，λ0为交叉圆极化峰值波长。
其中，所述亚波长结构周期为p，取值范围为p<λ，λ0为交叉圆极化峰值波长，金属矩孔的长为l，其取值范围为p/2≦l≦p，金属矩孔的宽为w，其取值范围为w<l。
本发明具有的有益效果在于：
本发明设计巧妙，结构简单，同一个结构，由结构色产生的近场图像和由全息产生的远场图像完全不同，可在不增加器件成本的同时提高信息容量和防伪安全等级。并且基于该结构的防伪技术可实现逐级排查，结构色易用初检验，全息用于终检验。本发明提供的亚波长结构实现的防伪技术具有安全等级高，母版仿制门槛高、短时间无法仿制，结构简单，可批量化生产，成本低等优势，有益于大规模推广。
附图说明
图1为本发明的单元结构示意图，其中，图1(a)为三维示意图，图1(b)为沿矩孔短轴方向的截面图，图1(c)为沿矩孔长轴方向的截面图；
图2为实施例1中本发明设计的三种单元结构的圆偏振转换效率和吸收率谱线，其中，图2(a)为圆偏振转换反射谱线，图2(b)为吸收率谱线；
图3为实施例1中本发明设计的近场图像；
图4为实施例1中本发明设计的远场图像；
图5为实施例1中本发明设计的实现结构色和全息双重防伪样品的局部电镜图；
图6为实施例1中本发明设计样品在宽带圆偏振白光入射下，经滤波后测得的近场图像；
图7为实施例1中本发明设计样品在宽带无偏振白光入射下，直接测得的近场图像；
图8为实施例1中本发明设计样品在三色圆偏振激光垂直入射下，经滤波后测得的远场图像；
其中，图中所标序号含义为：
1为金属衬底，2为金属亚波长结构，3为介质保护层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示，该结构至下而上包括金属衬底1、金属亚波长结构2和介质保护层3。其中金属基底的厚度为d；金属亚波长结构周期为p，厚度为h，矩孔长度为l，矩孔宽度为w，介质保护层厚度为t。
结合上述结构，首先说明本发明产生窄带圆偏振极化转换的原理，如下：
通过公式可计算传输表面等离子(PSP)共振的激发波长：
其中，λPSP为自由空间PSP共振激发波长，εm为金属的介电常数，εd介于空气和介质保护层介电常数之间，εd大小与介质层厚度t相关。因此，通过调节结构周期p，可以将PSP共振激发波长调节到设计波长附近。与此同时，该结构还可以激发局部表面等离子(LSP)共振，在PSP和LSP共振的共同作用下，在共振波长附近，能为亚波长结构长短轴两个方向引入π的相位差，进而得到一个窄带的交叉圆极化。
另一方面，说明本发明实现结构色和全息双重防伪的设计方法：
为了便于分析，我们假设亚波长结构沿矩孔长短轴方向引入的相位差为π，且振幅均为η，然后将其绕中心逆时针旋转θ，那么该亚波长结构的圆系反射琼斯矩阵可表示为：
当右旋圆偏振光入射时，其反射光Er可表示为：
当左旋圆偏振光入射时，其反射光Er可表示为：
其中，(1 0)T和(0 1)T分别表示右旋偏振(RCP)光和左旋圆偏振(LCP)光。从公式(3) 和(4)得知，旋转纳米结构矩孔可以引入±2θ的几何相位。而这一几何相位携带于旋向与入射旋向相同的反射圆偏振光中，实际上这个结果是由于亚波长结构引入偏振转换，导致偏振复苏。话句话说，圆偏振光经过平板反射本身会引起旋向翻转。另外，旋转矩孔对结构反射谱不会有较大影响，也就是它本身携带的结构色不会有明显差异。进而，我们可以分区域的选择不同结构参数的亚波长结构填充到对应区域，形成彩色的近场图像。与此同时，通过全息技术计算全息像中每种颜色对应的相位分布，然后将相应的结构旋转对应的角度。最终，在宽带圆偏振光照射下，近场可观察到设计的结构色图像。在多色激光入射下，由于本发明的亚波长结构的能激发窄带的偏振转换，因此多种颜色之间串扰很小，从而远场可观察到清晰的全息像。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。
实施例1
不失一般性，本实施例分别针对RGB即峰值波长为465nm，532nm和633nm设计了三个不同结构参数的单元结构。如图1所示，单元结构包括：金属基底1和金属亚波长结构2。金属材料选用银,金属基底厚度t为100nm，金属亚波长结构厚度h为30nm。由于银容易氧化，介质保护层材料选用二氧化硅，厚度为3nm。465nm对应的尺寸参数为：p＝400nm，l＝400nm， w＝225nm。632nm对应的尺寸参数为：p＝470nm，l＝470nm，w＝210nm。633nm对应的尺寸参数为：p＝580nm，l＝580nm，w＝200nm。本实施例设计的亚波长结构为光栅，但不仅限于光栅。
图2为上述三个单元结构的圆偏振转换反射谱线(图2(a))和吸收谱(图2(b))，可以看出，三个单元结构的谱偏振转换的带宽均很窄，即可以显示出高纯度的红绿蓝三中颜色。由于三个结构在具有截然不同的吸收谱，因此，在自然光照射下也能显示出不同的颜色，这有利于防伪标识的直接检测。而红绿蓝三色则需要滤出偏振转换部分的光才能得到，这也提高了保密性和安全等级。
图3和图4分别为本实施例设计的结构色近场图像和全息远场图像。结构色尺寸大小为 1mm×1mm，近场图像由近似的红绿蓝三色组成，而远场图像则是由红绿蓝三色合成彩色图像。对于近场图像，我们分别将红绿蓝区域像素化。图3中右上图白色区域对应红色区域，图3中左下图白色区域对应绿色区域，图3中右下图灰白色区域对应蓝色区域。每个像素尺寸大小为对应单元结构周期的七倍，及7p×7p。其次，再用迭代傅列叶变换算法计算红绿蓝区域对应的相位分布，并将其台阶化(8个台阶)，最终对应到像素化光栅结构的旋转角度。图5为实际加工样品结构局部电镜图。
实验测试结果如图6，7，8所示。图6为宽带圆偏振白光入射下，经滤波得到圆偏振转换部分的近场图像，其颜色与理论设计(图3)十分相近。图7为无偏白光入射下直接测得的近场图像，可以看出，即使不使用复杂的检测光路，仍然可以看出图形，只是颜色与真实的不同。图8为测得的全息远场图像，入射光源为465nm，532nm，633nm的圆偏振光，三色激光同时正入射，测试结果与理论结果(图4)符合得很好。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构，其特征在于：包括至下而上的一层金属衬底、金属亚波长结构和介质保护层，其中介质保护层只有选用易氧化的金属材料时才需要；该类亚波长结构通过调节结构参数能在不同峰位处实现窄带圆偏振极化转换，从而得到高纯度彩色显示；通过利用计算全息编码技术得到不同颜色的相位分布，再根据相位分布结合旋转亚波长结构引入的几何相位，从而实现结构色和全息双重防伪；
所述金属亚衬底的厚度为d，其取值范围为d>10δ0，δ0为金属的趋肤深度；
所述金属亚波长结构的厚度为h，其取值范围为h<λ0/10，λ0为交叉圆极化峰值波长；
所述金属亚波长结构的厚度为t，其取值范围为t<λ0/50，λ0为交叉圆极化峰值波长；
所述亚波长结构周期为p，取值范围为p<λ0，λ0为交叉圆极化峰值波长，金属凹槽的长为l，其取值范围为p/2≦l≦p，金属槽的宽为w，其取值范围为w<l。
2.根据权利要求1所述的一种实现结构色和全息双重防伪的亚波长结构，其特征在于：所述金属亚波长结构与金属基底所用材料为金、银、铝或铬，当选用的金属材料易氧化才需要介质保护层，介质保护层材料选用二氧化硅和三氧化二铝。
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