CN114609803A - 一种基于液晶材料的动态超构表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种基于液晶材料的动态超构表面，包括依次层叠的衬底、反射镜、由超构表面电极和液晶单元构成的超构表面结构层、透射电极层以及透射基板；可见光或红外光束由所述透射基板射入，经超构表面结构层调制和反射镜反射后沿设定方向射出；反射镜兼作超构表面电极和液晶单元的公共电极；超构表面电极为金属材料的光栅阵列，液晶单元填充于超构表面电极的各相邻光栅之间；透射电极层的各透射电极分别为相应的两相邻光栅之间的液晶单元独立施加电压，使不同位置的液晶单元内的液晶分子具有不同的朝向，为入射光施加不同的相位调制。本发明可在可见或红外光波段对设定波长和偏振方向的光束进行200°以上的相位调制。
Description
技术领域
本发明可被应用于显示、通信和激光雷达等领域，特别涉及一种基于液晶材料的动态超构表面。
背景技术
近年来，超构表面(Metasurface)的提出引起了广泛关注。通过表面上亚波长尺度的结构设计，超构表面可以对电磁波的振幅、相位和偏振等特性进行灵活地调控，从而实现波前整形、光束扫描、偏振调控等功能。然而，目前已提出的超构表面大多是静态的，只能实现单一、特定的功能。已有的动态超构表面包括基于机械式结构、调制载流子浓度、相变材料等方案，但效果不甚理想，往往存在可靠性差、效率低、结构复杂或调制速度慢等问题。
液晶是一种具有光学双折射效应的材料，通过对液晶施加外界电场，可以控制液晶分子的转向，从而实现对电磁波的相位的实时、连续调制。目前液晶材料已在显示、光场调控等领域有了广泛、成熟的应用。但是，传统的液晶调制器件还存在着一些弊端。一方面，液晶材料的折射率差有限，为实现0至2π的相位调制范围，液晶层的厚度通常需要为几个波长的长度。而液晶的调制速度与液晶层厚度的平方成正比，因此，为得到理想的相位调制范围，液晶调制器件的调制速度往往受限。另一方面，在传统的液晶调制器件中，每个液晶调制单元尺寸较大，一般为数个波长量级，在实际应用中带来了诸多限制，例如在全息显示领域限制了空间带宽积，在光束扫描领域限制了扫描角度范围等。
将超构表面与液晶材料结合，通过设计入射光在液晶单元内的谐振效应，有望在亚波长尺度的结构内实现出射光相位的大幅度调制，从而提高液晶的响应速度，改善液晶器件在全息显示、光束扫描等应用领域的性能。
发明内容
针对现有的动态超构表面方案不成熟、传统液晶调制器件单元尺寸大的问题，本发明提供了一种基于液晶材料的动态超构表面。本发明能通过外加电压，在可观的调制速率下实现光束相位、波前的灵活调控。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种基于液晶材料的动态超构表面，其特征在于，包括从下至上依次层叠的衬底、反射镜、由超构表面电极和液晶单元构成的超构表面结构层、透射电极层以及透射基板；可见光或红外光束由所述透射基板入射到所述动态超构表面，经所述超构表面结构层调制和所述反射镜反射后沿设定方向射出；所述衬底和透射基本分别用于提供物理支撑和电学隔离；所述反射镜兼作所述超构表面电极和液晶单元的公共电极；所述超构表面电极为金属材料的光栅阵列，所述液晶单元填充于超构表面电极的各相邻光栅之间，且液晶单元的上表面完全覆盖超构表面电极的上表面；所述透射电极层为与液晶单元的排布方式一致且相对设置的透射电极阵列，各透射电极分别为相应的两相邻光栅之间的液晶单元独立施加相同或不同的电压，使不同位置的液晶单元内的液晶分子具有不同的朝向，从而为入射光施加不同的相位调制。
进一步地，所述超构表面电极为沿x方向布设、沿y方向延展的线栅形阵列，入射光为沿y方向的s偏振光，z方向为沿所述动态超构表面厚度方向；各线栅在xz平面内的截面为矩形或梯形。
进一步地，所述超构表面电极为沿xy平面布设的光栅阵列或格栅阵列，z方向为沿所述动态超构表面厚度方向，入射光的偏振态与液晶分子的初始朝向平行，各光栅或格栅在xy平面内的截面形状可为圆形或任意多边形。
本发明的特点及有益效果为：
该装置基于液晶的光学特性，设计了一种对光相位具有强响应的超构表面结构。通过合理的设计，在外加电压的作用下，液晶折射率发生变化，结构可在可见或红外光波段对设定波长和偏振方向的光束进行200°以上的相位调制，可以实现光束偏转、聚焦、整形等多种功能。同时，由于超构表面的液晶层厚度和液晶单元尺寸通常设计在百纳米量级，相比于传统液晶调制器件缩小了数倍的尺寸，因此可以实现更高的调制速率、更大的空间分辨率。
附图说明
图1是本发明的一种基于液晶材料的一维动态超构表面的剖视图。
图2是图1所示一维动态超构表面的俯视图。
图3是本发明的一种基于液晶材料的二维动态超构表面的剖视图。
图4是图3所示二维动态超构表面的俯视图。
图5是本发明实施实例一中相位调制器的结构示意图。
图6是本发明实施实例一中，不施加外界电压时，相位调制器中的液晶分子取向示意图。
图7是本发明实施实例一中，施加外界电压时，相位调制器中的液晶分子取向示意图。
图8是本发明实施实例一中，正入射光束在经相位调制器反射后反射率和反射相位随液晶分子偏转角的变化曲线。
图9是本发明实施实例二中，光束偏转器件的结构以及原理示意图。
图10是本发明实施实例二中，液晶单元的反射率和相位在复空间内的分布图。
图11是本发明实施实例二中光束偏转器件的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种基于液晶材料的动态超构表面的应用实例。
图1、2展示了本发明的一种基于液晶材料的动态一维超构表面的结构示意图，图3、4展示了本发明的一种基于液晶材料的动态二维超构表面的结构示意图，均包括从下至上依次层叠的衬底(101、201)、反射镜(102、202)、由超构表面电极(103、203)和液晶单元(104、204)构成的超构表面结构层、透射电极层(105、205)以及透射基板(106、206)。可见光或红外光束(107、207)由透射基板(106、206)入射到本动态超构表面，经超构表面结构层调制和反射镜(102、202)反射后沿设定方向射出。其中，衬底(101、201)可选用与CMOS工艺兼容的硅材料，覆盖透射电极层(105、205)的透射基板(106、206)可以选用常见的熔融玻璃、石英等透明电介质材料，通过衬底(101、201)和透射基板(106、206)为其他结构层提供物理支撑和电学隔离的作用。反射镜(102、202)可以采用对入射光具有高反射率(所述高反射率代表正入射反射率大于80％)、导电性能好(电阻率在10-6Ω·m以下)的金属材料，如金、银、铜等，反射镜(102、202)还作为超构表面电极(103、203)和液晶单元(104、204)的公共电极。对于一维超构表面，超构表面电极103为沿x方向布设、沿y方向延展的线栅形阵列即一维阵列，各线栅在xz平面内的截面为矩形或梯形，入射光为沿y方向的s偏振光；对于二维超构表面，入射光的偏振态与液晶分子的初始朝向平行，超构表面电极203为沿xy平面布设的光学天线或格栅即二维阵列，光学天线或格栅在xy平面内的截面形状可以为圆形或任意多边形(此处采用矩形)；超构表面电极(103、203)的阵列周期和高度均为亚波长尺度，一般为入射光波长的1/10至一个波长的长度范围；超构表面电极103的线栅宽度和间距可以根据入射光的波长灵活选取，一般为工作波长的1/20至一个波长；超构表面电极(103、203)选用导电性能好(电阻率在10-6Ω·m以下)的金属材料，如金、银、铜等。液晶单元(104、204)填充于超构表面电极(103、203)内的相邻电极之间并完全覆盖超构表面电极(103、203)的上表面，一般液晶单元(104、204)上表面超出超构表面电极(103、203)上表面的高度为工作波长的1/10至一个波长，避免超构表面电极(103、203)与透射电极层(105、205)的接触；液晶单元(104、204)可灵活选取对入射光透明且具有双折射效应的各类液晶材料，如5CB、E7和掺杂有机大分子的液晶等。透射电极层(105、205)为与液晶单元(104、204)的排布方式一致且相对设置的透射电极阵列，各透射电极分别为相应的两相邻线栅之间的液晶单元独立施加相同或不同的电压(通常在0～10V)，使不同位置的液晶单元(104、204)内的液晶分子具有不同的朝向，从而为入射光施加不同的相位调制；透射电极层(105、205)的厚度一般为几十至几百纳米，可采用氧化铟锡导电玻璃、非晶硅等材料。
为进一步说明该器件的工作原理，提供了两个具体的实施实例。实施实例一为一维超构表面相位调制器，实施实例二为一维超构表面光束偏转器件。
实施实例一中，一维超构表面相位调制器的工作波长为1550纳米。如图5所示，衬底101材料为硅，透射基板106的材料为二氧化硅，厚度为500微米。反射镜102与超构表面电极103的材料均为金，反射镜102的厚度为500纳米；选取E7液晶作为液晶单元104的材料，在1550纳米波段的折射率变化为1.5至1.685；透明电极层105选取氧化铟锡导电玻璃，厚度为50纳米，为每个液晶单元施加均一的电压，考虑到本实施例各个液晶单元施加的电压相同，为简化加工，透明电极层150平板状。利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算不同结构尺寸(包括超构表面电极的高度、线栅宽度、排布间距等参数)的超构表面在不同液晶转角下下对入射光的相位和透过率的调制幅度，确定超构表面电极103的高度为850纳米，超构表面电极103的排布周期为750纳米，超构表面电极103的线栅宽度为240纳米，液晶单元104上表面超出超构表面电极103上表面的厚度为200纳米。如图6所示，当不施加外加电压时，由于受到超构表面电极结构的影响，液晶分子取向为沿着超构表面电极延展方向(y方向)，此时液晶单元对于沿y方向偏振的入射光的折射率为1.685。如图7所示，当对液晶单元施加沿z方向的电压时，随着电压的逐渐增加，液晶分子取向将逐渐转变为沿z方向。此时，液晶单元对于y方向偏振的入射光的折射率将逐渐减小到1.5。在电压由零逐渐增大的过程中，液晶分子在yz平面内与y轴的夹角由0°增加到90°，反射光的相位变化可达到206°，且反射率保持在50％以上，如图8所示。
利用实施实例一的结果，可以实现实施实例二中的一维超构表面光束偏转器件，基本结构如图9所示。其中，透射电极层(905)采用薄膜晶体管电极阵列，其余部分的材料与设计尺寸与实施实例一相同。在y方向偏振的1550纳米波长的光束正入射情况下，通过薄膜晶体管电极阵列对每一个液晶单元独立施加不同的电压，可以使经器件反射后的光束在每个液晶单元具有相同的相位差
(其中N为一个相位周期2π所包含的液晶单元个数，包括但不限于正整数)，从而波长为λ的反射光在液晶单元处具有相同的光程差
超构表面电极的周期d与光程差Δp之间存在几何关系Δp＝d·sinθ，表明经器件反射的光束发生了角度为θ的偏折，如图9所示。因此，通过外加电压控制每个液晶单元对光束施加的相位差，本实例器件就可以对正入射的光束实现特定方向的偏转与扫描。在本实例中，超构表面电极的周期为750纳米，波长为1550纳米，设计的相位差分别为π/3、2π/3，因此分别以6个液晶单元和3个液晶单元为一个相位周期可以实现角度分别为20.1°和43.5°的光束偏转。电场仿真结果如图10所示，光束偏转效率分别如图11(a)、(b)所示，设定角度偏转光的效率分别为46.1％和42.8％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于液晶材料的动态超构表面，其特征在于，包括从下至上依次层叠的衬底、反射镜、由超构表面电极和液晶单元构成的超构表面结构层、透射电极层以及透射基板；可见光或红外光束由所述透射基板入射到所述动态超构表面，经所述超构表面结构层调制和所述反射镜反射后沿设定方向射出；所述衬底和透射基本分别用于提供物理支撑和电学隔离；所述反射镜兼作所述超构表面电极和液晶单元的公共电极；所述超构表面电极为金属材料的光栅阵列，所述液晶单元填充于超构表面电极的各相邻光栅之间，且液晶单元的上表面完全覆盖超构表面电极的上表面；所述透射电极层为与液晶单元的排布方式一致且相对设置的透射电极阵列，各透射电极分别为相应的两相邻光栅之间的液晶单元独立施加相同或不同的电压，使不同位置的液晶单元内的液晶分子具有不同的朝向，从而为入射光施加不同的相位调制。
2.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述超构表面电极为沿x方向布设、沿y方向延展的线栅形阵列，入射光为沿y方向的s偏振光，z方向为沿所述动态超构表面厚度方向；各线栅在xz平面内的截面为矩形或梯形。
3.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述超构表面电极为沿xy平面布设的光栅阵列或格栅阵列，z方向为沿所述动态超构表面厚度方向，入射光的偏振态与液晶分子的初始朝向平行，各光栅或格栅在xy平面内的截面形状可为圆形或任意多边形。
4.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述衬底选用与CMOS工艺兼容的硅材料制成。
5.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述透射基板选用透明电介质材料制成。
6.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述反射镜选用电阻率在10-6Ω·m以下的金属材料制成。
7.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述液晶单元选取对入射光透明且具有双折射效应的液晶材料制成。
8.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述透射电极层的厚度为几十至几百纳米，采用氧化铟锡导电玻璃或非晶硅材料制成。
9.根据权利要求1所述的动态超构表面，其特征在于，所述超构表面电极的阵列周期和高度均为入射光波长的1/10至一个波长的长度范围；超构表面电极的光栅宽度和间距为工作波长的1/20至一个波长；所述液晶单元上表面超出超构表面电极上表面的高度为工作波长的1/10至一个波长。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的其特征在于，通过时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算不同结构尺寸的超构表面在不同液晶转角下下对入射光的相位和透过率的调制幅度，以此确定所述超构表面电极的尺寸。
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