4π调制范围纯相位高分辨率空间光调制器的制作方法

4
π
调制范围纯相位高分辨率空间光调制器
技术领域
1.本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种4π调制范围纯相位高分辨率空间光调制器。


背景技术：

2.传统液晶空间光调制器对于入射光波的相位调制大多是基于光波在一定厚度介质中的相位积累，当通过外加电压的方式改变液晶的折射率，光束累积的相位就会随之改变，达到动态调节的效果。为了提供足够的2π相位调制范围，液晶空间光调制器往往需要一定的厚度，如果需要实现大于2π的相位深度调制，则器件的纵向尺寸会进一步扩大，这不仅增加了器件的体积和重量，还限制了像素单元尺寸的进一步缩小，不利于主动式光学器件向着超薄化、小型化和集成化发展。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，为充分利用电介质微纳结构单元的共振特性，本发明提出了一种4π调制范围纯相位高分辨率空间光调制器。针对共振型超表面的共振特征受外部环境影响的特性，结合电磁参数动态可调的液晶材料，实现亚波长尺度下超高分辨率、超大动态范围的空间光波相位调制。在本发明中，入射光波相位的变化主要发生在微纳结构中而不是液晶环境中，相比于现有技术，本发明的体积更微小、重量更轻，更易于集成。在多波段探测、自适应光学等领域有着很好的发展前景。
4.为实现上述目的，本发明提供一种4π调制范围纯相位高分辨率空间光调制器，其特征在于：包括：两片对向放置的超表面、上电极层、下电极层以及反射层；所述两片超表面之间填充有双折射材料，以提供可随外界激励变化的环境折射率；所述两片超表面的结构表面都制备有取向层；
5.所述超表面由基底和周期性排布于其上的若干纳米柱组成：
6.所述基底划分为尺寸一致的正方形单元，各单元中心放置一个纳米结构单元；
7.所述纳米结构单元形状为正方体、长方体、圆柱体、或球体中任一种；
8.所述正方形基底单元的边长与相邻纳米结构单元中心点之间间距相等；
9.所述基底和纳米结构单元均为亚波长尺寸，在同一片超表面中，所有纳米结构单元的形状尺寸一致；分别属于两片超表面的纳米结构单元，其形状及尺寸相同或不相同；
10.线偏光入射时，与超表面的纳米结构单元相互作用激发共振光谱重合的电、磁米氏共振，在共振波长处，超表面的透射光谱呈现出均一的高透射率和2π相位突变；当通过外加电压改变纳米结构单元周围环境折射率时，共振波长将发生偏移，此时对于某一固定波长的入射光来说，即能实现0-2π范围内的连续相位变化，并保持极高透射率；入射光经过两片透射式超表面的调制后由反射层反射，相位变化量再次积累，最终出射的反射光束可实现超过4π范围的深度相位调制。
11.作为优选方案，所述纳米结构单元采用高折射率电介质材料(如硅、二氧化钛、氮
化硅等)制成；所述纳米结构单元尺寸参数的设计需满足使入射光波在其中激发的米氏电、磁共振的光谱在空间光调制器的设计波长处重合，即实现惠更斯超表面；所述基底采用工作波段内高透射率且低损耗的材料(如熔融石英、氧化铝等)制成。
12.进一步地，所述上电极层、下电极层均具有像素点电压调控能力，各像素点电压调控单元的横向尺寸与超表面的基底正方形单元一致。
13.更进一步地，所述双折射材料为液晶，在外加电场的作用下，液晶分子取向将随着电压大小的变化而变化，从而为超表面纳米结构单元提供折射率动态可调的介电环境。
14.更进一步地，所述空间光调制器以反射模式工作；所述反射层要求反射率高且损耗低。
15.更进一步地，所述反射层为金属或布拉格反射镜。
16.本发明涉及的技术原理如下：
17.光波与高折射率的电介质亚波长结构相互作用时，会在微粒内部激发米氏共振模式，包括电共振和磁共振。在共振波长处，入射光波将表现出极高的反射率并伴随π的相位突变。当合理调节微纳结构的尺寸参数，电、磁共振波长会发生偏移。在某一优化参数下，两共振重合，此时共振波长附近，总出射光谱表现为近乎均一的高透射率和2π相位变化，满足这种条件的超表面称为惠更斯超表面。考虑到超表面的共振光谱也取决于外界环境的电磁参数，那么对于惠更斯超表面而言，通过调节外界环境的折射率，就能在一定范围内改变某一固定波长入射光的相位，实现光波相位的实时、逐点且连续的调制。
18.液晶材料拥有双折射特性和液体的特性，在外部的电场的激励下，液晶分子的取向发生偏转，宏观表现为整体折射率的变化。基于此，可以采用液晶为本发明中的共振型超表面提供动态介电环境。由于米氏共振品质因数的限制，液晶环境下单层惠更斯超表面的相位动态调制范围有限，因此采用两层超表面的叠层设计，并引入反射层，使入射光波多次与超表面作用，达到超过4π的相位调制深度。
19.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
20.(1)本发明基于超表面设计相位型空间光调制器，与传统基于纯液晶的方案相比，相位的调控发生在亚波长级别的微纳单元结构中，而不再是依赖光波在液晶介质中传播时的相位积累，可以在很大程度上减小器件的纵向尺寸。
21.(2)本发明的像素尺寸为亚波长量级，与传统器件相比，具有极高的分辨率，可以实现超精细的光波波前逐点动态调控，并且衍射角度、成像视场角度更大。
22.(3)本发明的相位调制深度为4π，而现有大多数器件只能提供2π的相位调制范围，相比之下，本发明不仅能实现全息显示、光束偏转、透镜聚焦等基础功能，并且得益于相位深度调制的特性，还可实现谐衍射等功能，应用于多波段探测等领域。
附图说明
23.图1为本发明实施例中4π调制范围纯相位高分辨率空间光调制器的结构示意图；
24.图2为本发明实施例中液晶分子取向随外加电压偏转示意图；
25.图3为本发明实施例中超表面单元结构尺寸示意图；
26.图4为本发明实施例中入射光波相位调制量随液晶环境折射率变化示意图；
27.图5为本发明实施例中入射光波反射系数随液晶环境折射率变化示意图。
28.图中：1、电极层；2、基底；3、纳米柱；4、双折射材料5、反射层；6、取向层；d、液晶层总厚度；θ、液晶分子取向角；h、纳米柱高度；r、纳米柱底面半径；p、纳米柱周期。
具体实施方式
29.下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
30.实施例1
31.在本实施例中，图1为4π调制范围纯相位高分辨率空间光调制器的整体结构示意图，包括：电极层1、两片对向放置的超表面(由基底2和纳米单元结构3组成)、液晶介质4、反射层5和取向层6。液晶层总厚度为d。
32.在本实施例中，器件工作在近红外波段，入射光为线偏振光，工作波长1282nm。
33.在本实施例中，液晶层材料选用e7向列型液晶，折射率变化范围n
lc
＝1.7～1.51，厚度d取1720nm。
34.在本实施例中，取向层所确定的液晶分子初始状态为水平，如图2所示，即初始时液晶层折射率为ne＝1.7；当外加电压达到液晶的阈值电压后，液晶分子开始偏转，偏转角度为θ时，对于入射线偏光而言，液晶层的等效折射率可以表示为n
lc
＝no (ne-no)cos(θ)；电压逐渐增大至饱和时，液晶分子将沿着外加电场的方向排列，此时液晶层折射率减小至no＝1.51。
35.在本实施例中，两层超表面的结构参数相同，单元结构如图3所示。纳米单元为圆柱形，h为纳米圆柱的高度，r为纳米圆柱的底面半径。基底划分的正方形单元边长为p。纳米圆柱材料选用非晶硅，这是因为其在工作波段折射率很高且欧姆损耗极低。基底材料选用透明的熔融石英。为了保证器件工作时超表面始终满足惠更斯条件，在采用电磁仿真软件cst microwave studio对参数h、r和p进行扫描优化时，保持超表面外部环境的折射率等于液晶的初始折射率1.7。在仿真过程中，当三个参数发生变化时，可以观察到透射系数光谱中由电、磁米氏共振形成的两处凹陷逐渐靠近而后分离。优化参数使两共振的波长在工作波长处重合，此时凹陷消失，出射光谱呈现出近乎均一的高透射率和2π相位变化，由此得到惠更斯超表面的单元结构参数为h＝220nm，r＝230nm，p＝650nm。
36.在本实施例中，为避免对超表面面型结构的损坏并确保液晶分子的预牵引效果，采用光对准技术，取向层选用ata-2材料，涂覆在超表面纳米圆柱的顶端，以及基底未被纳米圆柱覆盖的区域。
37.将两片设计好的共振型超表面对向放置，间距为d，中间灌入液晶并进行封装，如图1所示。
38.在本实施例中，电极层由可独立寻址的电压调控单元组成，每个单元的尺寸与超表面基底单元尺寸一致，即可通过外部处理器编程控制空间光调制器各个像素点处的外加电压值，从而实现光波相位逐点动态调制。
39.在本实施例中，反射层材料为金，在其作用下，入射光束能在空间光调制器结构中产生多光束干涉效应，从而多次与两片超表面作用，有效扩大了器件的相位调制范围。
40.电磁仿真得到本实施例对入射光波的调制效果如图4、5所示。图4为空间光调制器各像素单元的相位调制量随液晶折射率的变化曲线，图5为空间光调制器各像素单元的反射系数随液晶折射率的变化曲线。
41.由此结果可以看出，本实施例设计的纯相位空间光调制器，相位的最大调制量达到760
°
，实现了超过4π的相位深度调制，并且器件的反射系数均保持在0.99以上，工作效率极高。