包含平面的超表面的电控动态光学组件的制作方法

1.本发明涉及一种光学组件，其包括布置在第一衬底表面上的平面的超表面和沿高度方向z布置在超表面上方的顶层。


背景技术：

2.光束或电磁辐射的传播可以完全由其在给定二维表面的相位和幅度分布来确定。为了操纵这样的光束，使用光学装置或光学组件。尽管幅度和相位的操纵可以被认为是典型的，但是为了避免不希望的损失，优选相位的操纵。光束的传播通过对它们诱导特定的相位分布来控制。这种光学装置可以是透镜、棱镜、镜子或全息元件。这种操纵可以通过光学装置的厚度变化来实现。
3.传统的光学装置可以由包含超表面的光学装置或组件代替。超表面是可以调制光束的局部特性的平面结构。典型地，超表面是一种人工纳米结构界面，它通过空间排列的元原子(meta-atoms)来操纵光。这些元原子通常由等离子体或介电纳米天线组成，它们可以直接改变光的特性，诸如相位、幅度和偏振。
4.超表面提供了对光束相位分布的高分辨率控制。特别是，对于全息应用和光束整形，超表面是有利的。
5.然而，现有技术中已知的超表面缺乏光学可重构性的可能性。这种光学可重构性允许控制某些特性和功能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种克服上述缺点的光学组件和光学装置。
7.该问题通过根据权利要求1的光学组件来解决。进一步的从属权利要求提供了优选实施方案。
8.根据本发明，光学组件包括布置在第一衬底表面上的平面的超表面和在高度方向z上布置在超表面上方的顶层。超表面包括多个散射结构，其中介电材料沉积在多个散射结构的子集上，其中活性介质夹在超表面和顶层之间，其中入射的电磁辐射被光学组件透射或由其反射，其中在反射或透射期间对入射的电磁辐射诱导优选可切换的相位分布调制。
9.散射结构也称为元原子或超表面的构建块。有利地，电磁辐射具有波长至1000nm。优选地，电磁辐射在约700nm至约1000nm的红外光谱中。优选地，电磁辐射在约380nm至740nm的可见光谱中。
10.根据优选的实施方案，散射结构由金属组成。优选地，散射结构由贵金属组成。优选地，散射结构由金组成。有利地，散射结构被部署为光学天线。优选地，当电磁辐射撞击一个单独的散射结构时，它使存在于散射结构中的电荷振荡。这被称为表面等离子体。撞击电磁辐射和表面等离子体的相互作用导致相位不连续。因此，通过光学组件透射或从光学组件反射的电磁辐射经历相位跃变。
11.优选地，散射结构为杆的形式。此外，优选地，散射结构被定向在超表面的平面中。
有利的是，散射结构包括空间变化的(面内)定向。
12.此外，优选散射结构的尺寸小于入射的电磁辐射的波长。散射结构之间的间距应小于入射的电磁辐射的波长以避免衍射效应。因此，优选地，散射结构之间的间距小于入射的电磁辐射的波长的一半。该间距也应该足够，以便近场介导的相互作用很小。进一步有利的是，散射结构包括相同的几何参数。优选地，这样的几何参数包括散射结构的形状和尺寸。
13.根据优选的实施方案，对入射的电磁辐射诱导的相位分布包括几何相位分量。优选地，由于入射的电磁辐射的(局部)相位延迟而引入几何相位分量。有利地，(局部)相位延迟取决于散射结构的定向。
14.这种相位延迟基于pancharatnam-berry(pb)相位原理。光的偏振状态的空间控制不可避免地引入重要的空间变化的相位分布，称为pb相位。如果均匀偏振波的两个部分改变为沿庞加莱球(poincar
é
sphere，偏振状态空间)上的两条不同路径的公共偏振状态，则在两个偏振状态之间出现一个相对相位，该相对相位等于由该路径包围的立体角的一半。pb相位代表偏振转换历史的演变，因此顺时针和逆时针演变将翻转这种几何相位的符号。因此，当圆偏振(cp)光束撞击被部署为具有优选线偏振共振的光学天线(例如偶极子)的优选散射结构时，散射光束部分转换为相反的螺旋度(helicity)，具有仅由天线的几何定向决定的相移。接近法向入射角时，cp光束主要被散射成具有相同偏振而没有相位变化的光束，和具有相反圆偏振的光束，其相位变化对应于偶极子和参考轴线之间形成的角度的两倍。优选地，法向入射轴线是任意的。相移的符号取决于撞击光束的螺旋度状态(右手或左手螺旋度)。另一方面，散射场的幅度优选地与散射结构的定向无关，而是与其频率响应相关。有利地，相位延迟完全取决于散射结构的定向。
15.优选地，几何相位与沿电磁辐射的光传播路径累积的动态(传播)相位无关。有利地，几何相位调制可以通过使用具有相同几何参数但空间变化的定向的各向异性亚波长金属/介电散射结构来获得。优选地，散射结构被电磁辐射共振激发。这具有实现大散射截面的优点。
16.基于pb相位原理，每个纳米杆的相位延迟等于其中是散射结构的定向角。因此，通过在超表面上布置具有不同定向的散射结构来实现任意相位分布。
17.根据另一优选的实施方案，对入射的电磁辐射诱导的相位分布包括传播相位分量。优选地，由介电材料调制的传播相位分量沉积在多个散射结构的子集和活性介质的折射率上。优选地，介电材料以包括沿高度方向z的高度的介电柱的形式沉积在散射结构上。优选地，传播相位分量的调制取决于介电柱沿高度方向z的高度。优选地，散射结构通过双电子束光刻而选择性地覆盖有介电柱。
18.根据优选的实施方案，活性介质的折射率可通过外部输入调节。优选地，外部输入是施加的电场。优选地，活性介质包括液晶。优选地，活性介质包括高双折射液晶。液晶(lc)表现出折射率的各向异性，这取决于液晶的分子定向。这种分子定向可以用电场来控制。
19.根据另一优选的实施方案，用于调节活性介质的折射率的外部输入是电磁辐射/光。优选地，活性介质包含螺吡喃分子。螺吡喃分子表现出光致变色特征，这构成了由于入射光而引起的折射率调制。
20.根据另一优选的实施方案，用于调节活性介质的折射率的外部输入是温度变化。优选地，活性介质包括二氧化钒和/或碲化锗锑(germanium antimony telluride)。
21.根据另一优选的实施方案，超表面是散射结构阵列。优选地，该阵列是单位单元的重复图案。有利地，单位单元包括至少两个散射结构。优选地，第一散射结构覆盖有介电材料或介电柱。此外，优选的是，单位单元中的第二散射结构不被介电材料或介电柱覆盖。优选地，阵列的单个单位单元的散射结构的(面内)定向是变化的。换句话说，该图案不会复制单元单元的定向。这是特别优选的，因为由于散射结构的定向，几何相位分量可以被调制。
22.优选地，单位单元中的散射结构之一被介电材料覆盖，以在两个散射结构之间产生传播相位差。有利地，用介电材料覆盖散射结构的图案由单位单元中两个散射结构的相对位置确定。
23.根据另一优选的实施方案，光学组件是单位单元阵列。有利的是，每个单位单元可通过外部输入寻址。优选地，可寻址性通过薄膜晶体管(tft)使能的液晶的局部控制来实现。
24.有利地，光学组件可以包括亚波长像素的阵列，其可以被认为是相位掩模的像素。这意味着光学组件被划分为离散像素，其中每个像素提供由指示的特定局部相移，表示相位图的离散版本。对于入射光束的整形，引入了相位分布优选地，在入射光束从超表面反射或通过其透射并传播距离z之后，其场分布由基尔霍夫积分(kirchhoffintegral)给出：
25.u0是撞击光束的场分布，λ是波长，uz是距离超表面z处的场分布。优选地，像素提供0和2π之间的相移。
26.光学组件的优选用途是设计全息图。这可以例如通过傅里叶全息图来实现，该全息图被设计为在远场中获得所需的光束分布。优选地，所需的相位掩模是所需图像的傅里叶逆变换。这种相位掩模的设计可能需要迭代数值方法。对于具有更简单功能的光学装置，诸如透镜光束反射器，相位掩模的图案可以通过分析得出。此外，以数值方式或解析方式发现的经计算的相位图有利地被量化。一旦找到经量化的相位图，像素(即散射结构)就会根据所需的局部相移以定向/介电柱沉积。
27.根据进一步优选的实施方案，顶层包括涂覆有金属层的第二衬底。有利地，第二衬底由介电材料制成。优选地，第二衬底由玻璃制成。优选地，第二衬底包括摩擦的聚酰亚胺层。优选地，摩擦的聚酰亚胺层与活性介质的液晶接触。优选地，液晶的初始校准通过与摩擦的聚酰亚胺层的接触引起。优选地，金属层是氧化铟锡(ito)层。有利地，第一衬底是硅晶片。第一衬底用作第一电极并且金属层用作第二电极是有利的。优选地，在两个电极上施加电压并且在两个电极之间形成电场。
28.根据另一优选的实施方案，至少一个间隔元件放置在超表面和第二衬底之间。优选地，间隔元件是球形的。有利的是，间隔元件由二氧化硅组成。
29.经由几何相位，例如pancharatnam-berry(pb)相位整形光波前的超表面，可以优选地通过控制光学天线的面内定向来实现。这种方法不仅允许高度精确地控制相位分布，而且还降低了制造复杂性。重要的是，pb相位不依赖于特定的天线设计或波长，从而使宽带
性能成为可能。
30.几何相位分量和单独的亚波长像素上的传播相位分量的有利选择性组合实现了像素级的可寻址性。这个概念是通用的，适用于任何活性材料，这些材料在电、光、热或其他外部刺激下表现出折射率变化。
31.有利地，超表面包括已经根据pb相位设计的光学天线形式的散射结构。优选地，至少一个光学天线被关在一个填充有高双折射液晶的单元中。一些天线，即亚波长像素，选择性地覆盖有介电柱。这有利地在这些像素上引入额外的传播相位，同时将它们与液晶隔离，从而使这些像素对电控制的响应无效。通过适当的相位分布设计，完全可互换的功能，例如在全息图中不同全息图案之间的切换，或光束转向(beamsteering)、聚焦、全息、光学涡旋等之间的多功能切换，都可以成功在几毫秒内实现，在可见频率下在电气控制下具有极好的可逆性。
32.该目的还通过包括根据前述实施方案之一的光学组件的光学装置来解决，其中电场的施加由于对入射的电磁辐射诱导的经调制的相位分布引起光学装置的光学功能的调制，入射的电磁辐射通过光学组件透射或由光学组件反射。特别地，光学功能的调制是某些光学状态之间的切换。
33.光学组件也可以是整个光学装置。
34.光学装置可以包括上述针对封装或光学组件描述的单个特征或特征的组合。此外，光学组件可以包括针对光学装置描述的单个特征或特征的组合。此外，与上述光学组件相同的优点可以应用于光学装置，反之亦然。
35.优选地，光学装置是全息装置或者透镜或光束转向装置。
36.通过适当的相位分布设计，可以在几毫秒内成功实现完全可互换的功能，例如全息图中不同全息图案之间的切换，或光束转向、聚焦、全息、光学涡旋等之间的多功能切换，在可见频率下在电气控制下具有极好的可逆性。
37.光学装置和光学组件具有实现多样化光学功能的巨大潜力，同时在单个纳米光子装置中保持各个功能高度独立。这将导致使用具有高空间分辨率的超薄装置的新型光通信系统，这对于现代密码学和安全应用程序可能非常重要。这种高度集成的纳米光子超表面将允许以前所未有的水平操纵光传播，从而为紧凑型和多任务光学器件铺平道路。
38.本发明的其他优点、目的和特性将通过附图和以下描述来描述。
附图说明
39.在附图中：
40.图1示出了根据一个实施方案的光学组件；
41.图2示出了根据一个实施方案的超表面；
42.图3是根据一个实施方案的光学组件的侧视图；
43.图4示出了根据一个实施方案的光学组件；
44.图5示出了相位掩模的示意图；
45.图6显示了在电控制下的示例全息图案。
具体实施方式
46.在图1至图5中，显示的光学组件(1)包括布置在第一衬底(3)表面上的平面的超表面(2)和在高度方向z上布置在超表面(2)上方的顶层(4))，其中超表面(2)包括多个散射结构(5、5a、5b、5c)，其中介电材料(6、6a)沉积在多个散射结构(5、5a、5b、5c)的子集上，其中活性介质(7)夹在超表面(2)和顶层(4)之间，其中入射的电磁辐射(8)通过光学组件(1)透射或由其反射，其中在反射或透射期间对入射的电磁辐射诱导相位分布调制。
47.光学装置沿高度方向z和两个面内方向x、y延伸。超表面(2)在由两个面内方向x、y跨越的平面中延伸。
48.散射结构(5、5a、5b、5c)由金属、特别是金组成，并且被部署为杆形式的光学天线(5a)。杆定向在超表面(2)的平面中，在平面定向中存在空间上变化。散射结构(5、5a、5b、5c)的尺寸小于入射的电磁辐射(8)的波长此外，散射结构(5、5a、5b、5c)之间的间距(9)小于入射的电磁辐射(8)的波长的一半。此外，散射结构(5、5a、5b、5c)包括相同的几何参数。
49.对于波长的电磁辐射(8)，用作光学天线的金纳米杆形式的散射结构(5、5a、5b、5c)具有200nm*80nm的最佳尺寸。散射元件之间的间距(9)为300nm，小于入射的电磁辐射波长的一半。优化光学天线(5a)的尺寸，以在633nm的入射波长下实现最大反射效率。
50.顶层(4)包括涂覆有金属层(15)的第二衬底(16)。第二衬底由介电材料，优选玻璃制成，金属层(15)为氧化铟锡(ito)层。此外，可以在第二衬底(16)处设置摩擦的聚酰亚胺层(18)。
51.液晶形式的活性介质保持在单元中。液晶(lc)单元通过将lc夹在具有超表面(2)的第一衬底(3)和玻璃衬底之间来构造。在超表面(2)和顶层(4)之间放置至少一个间隔元件(17)，其是球形的并且由二氧化硅组成。这在图3中进行了描述。二氧化硅球用作间隔件，将lc单元的内部厚度固定为5μm。将在633nm的操作波长下ne＝1.92和no＝1.53的高双折射(hi-bi)lc放置在与超表面直接接触的单元内部。高双折射(hi-bi)lc封装在该单元内部并与超表面(2)直接接触。在光学组件(1)的侧面，可以设置密封件(19)来密封单元。
52.高双折射液晶形式的活性介质(7)的折射率可通过外部输入(11)调节，其中外部输入(11)是施加的电场。第一衬底(3)用作第一电极，金属层(15)用作第二电极，其中电压施加在两个电极上。电场不影响光学天线(5a)的光学特性。电场可能具有4v/μm的可能值。当然，可以想象应用不同性质的外部输入，例如温度变化或入射的电磁辐射。
53.对入射的电磁辐射(8)诱导的相位分布包括几何相位分量和传播相位分量。几何相位分量由于入射的电磁辐射(8)的相位延迟而被引入，这取决于散射结构(5、5a、5b、5c)的定向。基于pb相位的原理，每个散射结构(5、5a、5b、5c)的相位延迟等于其中是散射结构(5、5a、5b、5c)的定向角。因此，通过在超表面(2)上布置具有不同定向的散射结构(5、5a、5b、5c)来实现任意相位分布。
54.传播相位分量由沉积在多个散射结构(5、5a、5b、5c)的子集上的介电材料(6、6a)和活性介质(7)的折射率调制。介电材料(6、6a)以介电柱(6a)的形式沉积在散射结构(5、5a、5b)上，包括沿高度方向z的高度(10)。传播相位分量的调制取决于介电柱(6、6a)沿高度
方向z的高度(10)。
55.超表面(2)是散射结构(5、5a、5b、5c)的阵列(12)。阵列(12)是单位单元(13)的重复图案。单位单元(13)包括至少两个散射结构(5、5a、5b、5c)，其中第一散射结构(5、5a、5b)覆盖有介电材料(6、6a)，第二散射结构(5、5a、5c)未被介电材料(6、6a)覆盖。每个单位单元(13)中有两个纳米杆(5a)，它们彼此垂直。纳米杆(5a、5b)之一覆盖有介电材料(6、6a)以产生传播相位，这在两个纳米杆(5、5a、5b、5c)之间是不同的。因此，用介电柱(6、6a)覆盖的图案由两个纳米杆(5、5a、5b、5c)在单位单元(13)中的相对位置确定。
56.覆盖散射结构(5、5a、5b)的介电材料(6、5a)用于在某些光学天线(5、5a、5b)上引入传播相位。因此，在具有涂层的光学天线(5、5a、5b)和不具有涂层的光学天线(5、5a、5c)之间产生传播相位差。由于适当的外部输入(11)，例如电场，可以通过改变周围液晶分子(7)的定来调整这种相位差。
57.光学组件(1)可以设计为单位单元(13)的阵列。每个单位单元(13)可由外部输入(11)寻址并且包括至少一个散射结构(5、5a、5b、5c)。这在图4中进行了描述。可寻址性通过液晶的局部控制来实现。
58.单位单元(13)可以被认为是相位掩模(20)的像素。这意味着光学组件(1)被划分为离散的像素，其中每个像素提供特定的局部相移，由表示，它表示相位图(20)的离散版本，如图5所示。为了整形入射光束，相位分布被引入。优选地，在入射光束从超表面(2)反射或通过其透射并传播距离z之后。
59.几何相位分量和单个亚波长像素上的传播相位分量的选择性组合实现了像素级可寻址性。这个概念是通用的，适用于任何活性材料，这些材料在电、光、热或其他外部刺激下表现出折射率变化。
60.超表面(2)包括已根据pb相设计的光学天线(5a)形式的散射结构(5、5a、5b、5c)。至少一个光学天线被放在一个单元(13)中，该单元填充有高双折射液晶(7)。一些天线(5a)选择性地覆盖有介电柱(6a)。这在此类散射结构(5、5a、5b)上引入了额外的传播相位，同时将它们与液晶(7)隔离，从而使这些散射结构(5、5a、5b)对电控制的响应失活。
61.光学组件(1)可以包含在光学装置(100)中。光学组件(1)也可以是光学装置(100)。由于入射的电磁辐射(8)的调制相位分布，电场的施加引起光学装置(100)的光学功能的调制，该入射的电磁辐射通过光学组件(1)透射或被光学组件(1)反射。
62.相位分布由几何相位和传播相位组成。几何相位分布是一个静态部分，它取决于光学天线的定向。传播相位分布通过覆盖液晶层的介电材料实现，可以通过施加电场来切换液晶层以调节液晶的折射率。因此，由于可变的相位分布而实现了切换。
63.通过适当的相位分布设计，可以在几毫秒内成功实现完全可互换的功能，例如全息图中不同全息图案之间的切换，或光束转向、聚焦、全息、光学涡旋等之间的多功能切换，在可见频率的电气控制下具有极好的可逆性。在图6中描绘了电控制下在全息图中切换全息图案的示例。
64.本发明具有巨大的潜力来实现多样化的光学功能，例如用于通信系统的光开关和用于数据存储的动态全息。
65.申请文件中公开的所有特征如果单独或组合地对现有技术具有新颖性，则被要求
对本发明是必要的。
66.附图标记列表1
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光学组件；2
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泵信号发生器；3
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第一衬底；4
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顶层；5
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散射结构；5a
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光学天线；6
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介电材料；6a
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介电柱；7
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活性介质；8
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电磁辐射；9
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散射结构之间的间距；10
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介电柱的高度；11
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外部输入；12
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散射结构阵列；13
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单位单元15
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金属层；16
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第二衬底；17
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间隔元件；18
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摩擦聚酰亚胺层；19
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密封件；20
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相位掩模；x
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面内方向；y
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面内方向；z
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高度方向。