一种偏振不敏感相位型LCOS器件

本发明涉及一种硅基液晶器件，尤其是涉及一种偏振不敏感相位型lcos器件。

背景技术：

1、硅基液晶器件（liquid crystal on silicon，lcos）是一类典型的反射式空间光调制器，广泛应用于全息显示、波前调控、光束偏转、投影显示、光通信和可编程光学系统等领域。如图1所示，传统lcos结构通常包括玻璃基板层1、公共电极层2、上表面取向层3、液晶层4、下表面取向层5、钝化层6、硅基板层7以及电极层8等部分，入射光从器件上方进入液晶层，经金属电极反射后再次通过液晶层出射。其光场调控功能主要来源于液晶分子的电控双折射特效：通过在透明电极与金属反射电极之间施加电压，可以改变液晶分子的取向状态，从而调制入射光的传播相位。

2、然而，传统lcos器件完全依赖液晶材料的双折射特效导致了诸多的限制。首先，液晶的双折射特性导致器件对入射光的偏振状态十分敏感，只有沿特定偏振方向的入射光才会被调制。因此，在实际光学系统中，传统lcos通常需要配合起偏器、偏振分束器或其他偏振控制元件使用。这不仅增加了系统的体积、装调复杂度和制造成本，也不利于光学系统进一步小型化和集成化。其次，为了实现2π的相位调制，传统的lcos器件需要采用相对较厚的液晶层来提供足够的光程差。但数微米厚的液晶层也显著降低了液晶分子对电场的响应速度，难以满足器件的高速动态调制需求，同时较厚的液晶层也会加强电极之间的串扰，从而降低器件的调控精度与能力。

3、针对偏振敏感问题，现有技术中通常有两类解决思路。第一类方案是采用偏振不敏感的特殊液晶材料，例如蓝相液晶。蓝相液晶在未加电场时具有近似光学各向同性的特点，因此有望从材料层面降低器件对入射偏振态的依赖。但是，该类材料通常需要较高的驱动电压，而标准cmos背板所能提供的驱动电压有限，难以满足实际器件工作需求。第二类是在lcos器件前使用起偏器等器件保证入射光偏振。但在当系统采用led、自然光或其他非偏振光源时，起偏器会滤除约一半的入射光能量，造成显著的光能损失。这对于追求高亮度、低功耗和高光效的显示系统，尤其是ar/vr近眼显示、便携式投影和紧凑型光学系统而言，是一个重要限制。

4、针对液晶层过厚、响应速度较慢的问题，现有技术中通常有两类解决思路。第一类方案采用更大折射率差的液晶材料。该方案可以相同相位调制深度需求下适当减小液晶层厚度。然而，高双折射率液晶材料通常存在材料选择受限、黏滞系数较高、响应速度改善有限、工作波段和温度稳定性受限等问题，且其光学性能与电学驱动特性往往难以同时满足高速、低压和高稳定性的器件需求。因此，单纯依赖提高液晶材料折射率差，难以从根本上解决薄液晶层条件下实现高相位深度调制的问题。第二类方案采用液晶结合超表面的方案，利用超表面的局域共振特性，在极薄液晶层条件下增强光与液晶材料的相互作用，从而获得较高的相位调制深度。该方案有助于减小液晶层厚度，并提高器件响应速度。然而，现有液晶超表面方案通常仍具有明显的偏振敏感性，其相位调制效果依赖于入射光偏振方向与超表面各向异性结构或液晶分子取向之间的匹配关系。当入射光偏振态发生变化时，器件相位响应和调制效率会明显下降。

5、因此，现有lcos技术仍然难以同时满足偏振不敏感、低驱动电压、高相位深度深度、高响应速度等要求。如何在不引入高驱动电压和复杂外部偏振光学元件的前提下，同时提高lcos器件的响应速度并降低其对入射偏振态的依赖，是当前lcos器件进一步发展中亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种薄液晶层、高响应速度、高相位深度和偏振不敏感特性的偏振不敏感相位型lcos器件，解决传统lcos器件响应速度慢以及对入射偏振态敏感的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种偏振不敏感相位型lcos器件，包括依次设置的玻璃基板层、公共电极层、液晶层、下表面取向层、钝化层、硅基板层和电极层，还包括设置于液晶层上方或下方的液晶超表面层以及设置于下表面取向层和钝化层之间的波片层，所述液晶超表层面包括亚波长尺度的周期性超表面结构和液晶材料结构，所述波片层为四分之一波片层，当入射光与液晶超表面层发生相互作用时，超表面结构激发局域光学共振，增强液晶区域内的光场，并延长光与液晶材料的有效相互作用路径。

4、进一步地，该lcos器件的结构参数根据目标工作波长和液晶材料折射率确定。

5、进一步地，所述结构参数包括液晶超表面的几何尺寸、周期、高度以及液晶层厚度。

6、进一步地，所述补充液晶层厚度满足使所述lcos器件实现高相位调制深度。

7、进一步地，所述液晶材料结构包裹所述超表面结构设置。

8、进一步地，所述超表面结构为单层或多层电介质超表面、金属超表面或金属-电介质复合超表面。

9、进一步地，所述液晶超表面层的制备具体包括：

10、使用ebl制备掩膜并刻蚀出所述超表面结构，在超表面结构中灌入液晶形成所述液晶材料结构。

11、进一步地，所述波片层由各向异性材料制成。

12、进一步地，所述波片层采用单一均匀各向异性材料波片、复合材料波片、非共振结构双折射微结构波片、共振增强型超表面波片、新兴各向异性或可调材料波片中的任一种。

13、进一步地，该lcos器件进行设计时，根据响应速度和偏振转化能力的设计要求，进行所述液晶超表面层的超表面单元结构的选择和波片层材料的选择。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1）现有技术（如中国专利申请cn114114770a）大多仅为液晶相位超表面。而本发明将液晶超表面与波片集成于lcos器件中，形成一种兼具高相位深度调制能力与偏振不敏感特性的反射式偏振无关相位型lcos器件。其中，液晶超表面利用亚波长结构的局域光学共振增强光与液晶材料之间的相互作用，使器件能够在较薄的液晶层条件下获得较大的相位调制深度，从而实现完整的高相位深度覆盖，并提高器件响应速度。入射光经过液晶超表面并获得相位调制，随后通过四分之一波片到达金属电极并被反射。反射光再次经过四分之一波片后，其偏振方向相对于入射时旋转90度。因此，当某一线偏振光在入射过程中被液晶超表面有效调制时，其反射返回后的正交偏振分量不再重复获得相同调制；而对于与其正交的入射偏振光，则可在往返传播过程中的另一阶段获得等效相位调制。由此，不同入射偏振方向的光均能够获得一致的有效相位响应，从而实现 lcos器件的偏振不敏感调制，解决了现有技术的偏振敏感问题，具有更广泛的应用范围。

16、2）本发明设计可实现具有一定的工作带宽，而非单一工作波长，具有更实际的应用意义。

17、3）本发明面向相位型lcos，具有更灵活的相位调控维度，可实现光束的任意方向偏转，并且可用于生成二维全息图。

18、4）与现有技术（如专利申请cn117872639a）偏振转化能力源于超表面结构不同，本发明的偏振转化能力并非基于特定的超表面结构，而是具有更广泛调控机理的各项异性结构，其包含超表面单元或天然各项异性材料层，偏振转化层更灵活的设计方案相比单一超表面偏转转化方案更适配具有一定带宽的工作需求。同时，本发明的偏振转换结构可按需择优选择设计方案，根据响应速度和偏振转化能力等需求灵活选择天然各向异性材料或超表面单元结构。

19、5）本发明能够在超薄液晶层使得器件获得高响应速度，进而降低驱动电压和功耗。