一种基于超表面的纯相位空间光调制器的制作方法

本发明涉及一种基于超表面的纯相位空间光调制器，属于光电器件领域。

背景技术：

空间光调制器(spatiallightmodulator,slm)是一种用于光场调控的器件，它基于傅立叶光学，通过加载计算全息图，可对目标光场进行光电再现。空间光调制器在输入信号的控制作用下，能够对入射光的振幅、相位和偏振等特性进行实时调制。

纯相位空间光调制器能够在不改变光场强度的情况下调整从每个像素反射光场的相位延迟，这通常是通过改变器件的厚度或者折射率来实现的。由于液晶具有特殊的光电效应，发展出了液晶空间光调制器，它能够在电场的调控下改变液晶分子的取向，提供了沿给定方向动态控制每个像素折射率的手段，最终实现对入射光波的相位调制作用。液晶空间光调制器因其能够灵活、方便的调制光波波前而具有广泛的应用，其中应用最多的为硅基液晶技术的反射式空间光调制器。

硅基液晶(lcos)是指在单晶硅上制作的反射式液晶空间光调制器。与传统的在非晶硅或者多晶硅材料上生长薄膜晶体管(tft)有源驱动矩阵相比较具有较大的优势。首先lcos由于采用单晶硅基底，可以被成熟的集成电路技术兼容，大幅提高器件的集成度，增强器件的可靠性。其次，单晶硅具有高迁移率，能够形成高密度开关矩阵，实现高密度的像素显示而拥有更高的分辨率。再次，由于tft的驱动电路生长在像素中间，一般tft器件只能达到35％的填充率；而lcos的驱动电路集成在像素背后，因此能够实现大于90％的高填充率，这提高了光能利用率，并有利于实现更小尺寸的液晶器件。并且lcos作为一种反射式器件，液晶层厚度较小，因而响应速度高，并具有较低的边缘电场畸变效应。

近年来，超表面作为一种新型的平面光学元器件得到了充分的发展，超表面由被称为“纳米天线”的纳米尺寸光学元件构成。通过设计纳米结构，可设计超表面对光相位的调制功能。虽然超表面已经成功应用于静态光学元件，但是对于利用超表面实现动态修改入射光相位的功能仍然存在很高的需求。如果每个纳米天线都可以通过施加电压进行独立调控，则超表面可以成为具有亚波长像素大小的空间光调制器。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超表面的纯相位空间光调制器的设计方案。

技术方案：一种基于超表面的纯相位空间光调制器，所述结构包括下基板、上基板，上基板与下基板之间填充有具备动态相位调制功能的双折射材料；下基板包括具有像素点电压调制能力的基底和分布在基底上的纳米结构阵列；纳米结构阵列内纳米结构尺寸形状不同，且空间分布不均匀，通过改变不同位置上纳米结构的几何结构尺寸，可以改变纳米结构阵列产生的相位调制量，实现静态相位调制功能；双折射材料与纳米结构相位调制结果相互独立；上基板面向双折射率材料的表面内制备有取向层。

进一步地，纳米结构材料采用高折射率全介质材料。

进一步地，所述的下基板面向双折射材料的表面上可以制备取向层。

进一步地，所述下基板中具有像素点电压调制能力的基底采用刻有可独立寻址半导体电极(cmos电路)的硅基集成电路芯片。

进一步地，所述双折射材料采用液晶，通过外加电场改变液晶分子取向，实现动态相位调制功能。

进一步地，所述上基板采用铟锡氧化物(ito)导电玻璃。

进一步地，所述的取向层的配向方式可以是光取向，也可以是摩擦取向，入射光应为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。

进一步地，所述的纳米结构阵列可以通过设计改变其分布方式及几何形状实现闪耀光栅、透镜、滤色等静态调制功能，纳米结构可采用纳米球、纳米柱、纳米砖等多种几何形状，液晶实现的动态相位调制功能与纳米结构阵列实现的静态相位调制功能可以叠加且相互独立。

进一步地，以二氧化硅为介质材料制备纳米球结构制备工艺如下：

(a)合成sio2纳米球所采用的化学试剂包括正硅酸乙酯(teos，含量≥28.4％)、无水乙醇、浓氨水(25％～28％)和去离子水，合成反应在磁力搅拌机中进行，转速为1100r/min。各反应试剂的体积比以及合成反应步骤根据具体的实验要求进行设定。

(b)合成得到的sio2纳米球首先进行离心提纯并清洗，在去离子水中按1:30体积比进行稀释，

(c)然后将衬底垂直固定在稀释液中并放入干燥箱在40℃挥发22h，最后sio2纳米结构留在si衬底表面形成自组装的单层纳米球薄膜。

进一步地，以光取向材料ata-2作为光取向层制备工艺如下：

(a)在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中以0.25wt％的质量分数溶解ata-2，经过过滤步骤后制备得到光取向溶液；

(b)对透明ito导电玻璃进行清洗，使用丙酮、乙醇、去离子水分别用100khz超声清洗10分钟，随后在120℃的真空烘箱中烘干，最后将ito导电玻璃放入冲有高纯氩气和高纯氧气的等离子体清洗机中处理5分钟；

(c)将光取向溶液旋涂在ito导电玻璃上，以800rpm的速度旋转5s，然后再用3000rmp速度旋转40s。之后，将ito导电玻璃在140℃在热台上烘烤5min；

(d)用偏振光对ito电极进行相同偏振曝光，确定液晶预对准方向，保证液晶取向均匀水平分布。

有益效果：本发明的基于超表面的纯相位空间光调制器有效集成了像素化的液晶动态相位调制与纳米结构阵列超表面的静态相位调制功能；本发明采用纳米球阵列设计，避免了使用电子束光刻、反应离子束刻蚀等传统微纳结构制备工艺，有效降低基于超表面的纯相位空间光调制器制备工艺难度；有效避免了因传统微纳结构制备工艺固有制备精度的限制和固有工艺误差；本发明的纳米结构材料采用高折射率全介质材料，在入射光场照射下，纳米结构单元的电偶极子和磁偶极子震荡共振峰位置可以通过改变纳米结构的几何结构参数进行调制，当设计的纳米结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡共振峰位置和强度相同时，入射光场引发的共振现象会极大程度抑制光场的后散射现象，获得高衍射效率的空间光调制器。本发明所述的纳米结构阵列可以通过设计改变其分布方式及几何形状实现闪耀光栅、透镜等静态相位调制功能，通过改变纳米结构的几何结构参数，进而实现百纳米像素尺度的静态相位调制功能；本发明的双折射材料采用液晶，在外加电场的作用下，液晶分子指向发生偏转，改变了液晶材料的等效折射率，进而改变全介质纳米结构结构周围局部环境的等效折射率和影响了共振现象，从而改变了入射光场的相位，相位调制作用主要发生在纳米结构内，而不是发生在液晶层中，可以有效减少液晶层厚度，显著提高空间光调制器的响应速度，进而削弱边缘场效应。

附图说明

图1为本发明实施例1中的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图；

图2为本发明实施例1中是以二氧化硅为介质材料制备纳米球结构的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图

图3为本发明实施例1中下基板未施加电压情况下正性液晶分子指向矢分布情况；

图4为本发明实施例1中下基板施加电压情况下正性液晶分子指向矢分布情况；

图5为本发明实施例2中的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图；

图6为本发明实施例2中纳米砖滤色功能示意图；

图7为本发明实施例3中的结构示意图。

附图标记说明：

1-上基板，2-取向层，3-双折射材料，4-纳米结构阵列，5-具有像素点电压调制能力的基底，6-高折射率介质纳米球阵列，7-液晶分子指向矢，8-下基板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1：

本发明实施例公开的一种基于超表面的纯相位空间光调制器，图1是本发明实施例中的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图，所述结构包括依次设置的下基板、上基板；上基板与下基板之间填充有具备动态相位调制功能的双折射材料；下基板包括具有像素点电压调制能力的基底和分布在基底上的纳米结构阵列；纳米结构阵列内纳米结构尺寸形状不同，且空间分布不均匀，通过改变不同位置上纳米结构的几何结构尺寸，可以改变纳米结构阵列产生的相位调制量，实现静态相位调制功能；双折射材料与纳米结构相位调制结果相互独立；上基板面向双折射率材料的表面内制备有取向层。

本发明中所述下基板中具有像素点电压调制能力基底可以是刻有可独立寻址半导体电极(cmos电路)的硅基集成电路芯片。所述双折射材料可以是液晶。所述上基板是铟锡氧化物(ito)导电玻璃。所述纳米结构材料采用高折射率全介质材料。

本发明中所述的纳米结构阵列结构采用全介质材料，可以使用的材料包括：二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵，铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓、氧化钛。

本发明中所述的纳米结构可采用纳米球、纳米柱、纳米砖等多种几何形状。

本实例中给出以二氧化硅为介质材料制备纳米球结构的制备工艺流程，图2是以二氧化硅为介质材料制备纳米球结构的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图，具体包括如下步骤：

(a)合成sio2纳米球所采用的化学试剂包括正硅酸乙酯(teos，含量≥28.4％)、无水乙醇、浓氨水(25％～28％)和去离子水，合成反应在磁力搅拌机中进行，转速为1100r/min。各反应试剂的体积比以及合成反应步骤根据具体的实验要求进行设定。

(b)合成得到的sio2纳米球首先进行离心提纯并清洗，在去离子水中按1:30体积比进行稀释，

(c)然后将衬底垂直固定在稀释液中并放入干燥箱在40℃挥发22h，最后sio2纳米结构留在si衬底表面形成自组装的单层纳米球薄膜。

本发明采用纳米球阵列设计，而没有采用传统惠更斯超表面使用的纳米柱结构设计，避免了使用电子束光刻、反应离子束刻蚀等传统微纳结构制备工艺，有效降低基于超表面的纯相位空间光调制器制备工艺难度；本发明有效避免了因传统微纳结构制备工艺固有制备精度的限制和固有工艺误差。

本发明的空间光调制器相位调制原理是基于惠更斯超表面原理，纳米结构材料采用高折射率全介质材料，在入射光场照射下，纳米结构单元的电偶极子和磁偶极子震荡共振峰位置可以通过改变纳米结构的几何结构参数进行调制，当设计的纳米结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡共振峰位置和强度相同时，入射光场引发的共振现象会极大程度抑制光场的后散射现象，获得高衍射效率的空间光调制器。

本发明所述的纳米结构阵列可以通过设计改变其分布方式及几何形状实现闪耀光栅、透镜等静态相位调制功能。通过改变纳米结构的几何结构参数，在满足惠更斯超表面原理(电、磁偶极子共振峰重叠导致结构抑制光场后散射)的前提下，可以改变纳米结构出射光的相位值。由于纳米结构不具备可变特性，因纳米结构几何参数造成的相位调制量随着纳米结构制备的完成而固定。整个超表面平面内不同位置的纳米结构几何参数可以根据需求任意设计，进而实现百纳米像素尺度的静态相位调制功能。

图3为本发明实施例中下基板未施加电压情况下，正性液晶分子指向矢分布情况；图4为本发明实施例中下基板施加电压情况下，正性液晶分子指向矢分布情况；

本发明所述的上基板与下基板之间填充有具备动态相位调制功能的双折射材料，双折射材料采用液晶。液晶指向矢的方向会随外加电场电压值发生动态调整，进而改变了入射光下液晶材料的等效折射率。本实施例中纯相位空间光调制器的动态相位调制原理是通过可独立寻址硅基集成电路芯片在像素位置上的上、下基板间施加动态可调电场，在外加电场的作用下，液晶分子指向发生偏转，改变了液晶材料的等效折射率，进而改变全介质纳米结构结构周围局部环境的等效折射率和影响了共振现象，从而改变了入射光场的相位，相位调制作用主要发生在纳米结构内，而不是发生在液晶层中，可以有效减少液晶层厚度，显著提高空间光调制器的响应速度，进而削弱边缘场效应。

本发明中的由液晶实现的动态相位调制功能与纳米结构阵列实现的静态相位调制功能可以叠加且相互独立。例如由空间分布不均的纳米结构几何参数实现的静态相位调制量为由液晶外加可寻址电场实现的动态相位调制量为因此空间光调制器任意位置(x1,y1)上的总的相位调制量为由液晶液晶外加可寻址电场实现的动态相位调制功能，并不影响由空间分布不均的纳米结构几何参数实现的静态相位调制功能，动态相位调制量是在静态相位调制量的基础上改变。

本发明所述的纯相位空间光调制器有效集成了像素化的液晶动态相位调制与纳米结构阵列超表面的静态相位调制功能。两层可分别实现不同的功能。例如通过设置纳米结构阵列可使其产生透镜相位或闪耀光栅等静态的功能，而液晶层则可以通过外加电压叠加一个动态可调的相位变化量，例如液晶光栅等。

本发明所述的取向层的配向方式可以是光取向，也可以是摩擦取向，入射光应为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。当取向层配向方式为光取向时，利用光致异构材料对偏振光敏感特性，使用特定波长线偏振光对取向层进行曝光，使取向层结构发生顺反异构反应，进而液晶分子会按照相应的方向排列。当取向层配向方式为摩擦取向时，利用尼龙或者棉绒等物质，按照设定方向摩擦取向层，使取向层按照摩擦方向产生一定的形态，而在取向层周边的液晶分子由于取向膜的锚定作用，使整体的液晶层按照一定规律排列，最终获得所想要的取向方向。在器件实际应用过程中，入射光应为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。

本实施例中的取向层位于上基板面向双折射率材料的表面，为了避免光取向层对共振现象的影响，需要将取向层厚度制备的非常薄。本实施例给出以光取向材料ata-2作为光取向层的制备工艺流程，具体包括如下步骤：

(a)在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中以0.25wt％的质量分数溶解ata-2，经过过滤步骤后制备得到光取向溶液；(b)对透明ito导电玻璃进行清洗，使用丙酮、乙醇、去离子水分别用100khz超声清洗10分钟，随后在120℃的真空烘箱中烘干，最后将ito导电玻璃放入冲有高纯氩气和高纯氧气的等离子体清洗机中处理5分钟；(c)将光取向溶液旋涂在ito导电玻璃上，以800rpm的速度旋转5s，然后再用3000rmp速度旋转40s。之后，将ito导电玻璃在140℃在热台上烘烤5min；(d)用偏振光对ito电极进行相同偏振曝光，确定液晶预对准方向，保证液晶取向均匀水平分布。

本发明将间隔粒子均匀混合在框胶内，通过间隔粒子控制液晶层厚度；使用点胶机对上基板进行点胶封框，框定液晶所在区域，并留一个开口以便灌注液晶。将上基板与下基板对位贴合。本发明中利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶。灌注完成后，进行封口。

实施例2：

本发明实施例公开的一种基于超表面的纯相位空间光调制器，图5是本实施例中的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图，所述结构包括依次设置的下基板、上基板；上基板与下基板之间填充有具备动态相位调制功能的双折射材料；下基板包括具有像素点电压调制能力的基底和分布在基底上的纳米结构阵列；纳米结构阵列内纳米结构尺寸形状不同，且空间分布不均匀；上基板面向双折射率材料的表面内制备有取向层。述的纳米结构阵列可实现滤色功能，双折射材料层实现动态相位调制功能。所述空间光调制器以反射式方式工作。

本发明中所述下基板中具有像素点电压调制能力基底可以是刻有可独立寻址半导体电极(cmos电路)的硅基集成电路芯片。所述双折射材料可以是液晶。所述上基板是铟锡氧化物(ito)导电玻璃。所述纳米结构材料采用高折射率全介质材料。

本发明所述的纳米结构阵列可以通过设计改变其分布方式及几何形状实现滤色等静态调制功能。本实例中给出以氮化硅为介质材料制备纳米砖结构实现滤色功能的设计方案。

本实施例中所述的滤色功能是通过纳米材料磁偶极子晶格共振(mdlr)实现。mdlr可抑制高阶米氏共振，从而创造出不需要复杂结构或设计规则的高饱和颜色。纳米砖采用氮化硅(si3n4)材料。氮化硅纳米砖可使用电子束光刻技术制备。纳米砖在每个像素内以周期分布。不同尺寸的纳米砖的反射光谱在不同波长处达到最大值，因此通过选择像素内的纳米砖尺寸与周期，可选择该像素反射的光的颜色，如图6所示。例如对于三基色，可采用以下参数设置：所有纳米砖厚度均为270nm；当长宽均为195nm，周期为295nm时，像素反射蓝光；当长宽均为255nm，周期为355nm时，像素反射绿光；当长宽均为335nm，周期为435nm时，像素反射红光。

本发明的纯相位空间光调制器的液晶层部分的动态相位调制原理与公知的液晶纯相位空间光调制器原理相同，即通过外加电场改变液晶分子取向，进而改变液晶层的等效折射率，通过改变光在液晶层中经过的光程最终改变入射光的相位。

本发明所述的取向层的配向方式可以是摩擦取向，利用尼龙或者棉绒等物质，按照设定方向摩擦取向层，使取向层按照摩擦方向产生一定的形态。而在取向层周边的液晶分子由于取向膜的锚定作用，使整体的液晶层按照一定规律排列，最终获得所想要的取向方向。取向剂可使用聚酰亚胺(pi)材料。在器件实际应用过程中，入射光应为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。

本发明所述的纯相位空间光调制器有效集成了像素化的动态相位调制与彩色滤色功能。入射光在液晶层中受到相位调制，该调制作用可通过电压动态控制；在纳米砖阵列层中受到滤色作用；因此每个像素的出射光均可设置为所需的颜色及相位。

实施例3：

本发明实施例公开的一种基于超表面的纯相位空间光调制器，图7是本实施例中的基于超表面的纯相位空间光调制器的结构示意图，所述结构包括依次设置的下基板、上基板；上基板与下基板之间填充有具备动态相位调制功能的双折射材料；下基板包括具有像素点电压调制能力的基底和分布在基底上的纳米结构阵列；纳米结构阵列内纳米结构尺寸形状不同，且空间分布不均匀，通过改变不同位置上纳米结构的几何结构尺寸，可以改变纳米结构阵列产生的相位调制量，实现静态相位调制功能；双折射材料与纳米结构相位调制结果相互独立；上基板面向双折射率材料的表面内制备有取向层。上基板面向双折射率材料的表面内制备有取向层。所述的下基板面向双折射材料的表面上制备有取向层。

本发明中所述下基板中具有像素点电压调制能力基底可以是刻有可独立寻址半导体电极(cmos电路)的硅基集成电路芯片。所述双折射材料可以是液晶。所述上基板是铟锡氧化物(ito)导电玻璃。所述纳米结构材料采用高折射率全介质材料。

本发明中所述的纳米结构阵列结构采用全介质材料，可以使用的材料包括：二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵，铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓、氧化钛。

本发明中所述的纳米结构可采用纳米球、纳米柱、纳米砖等多种几何形状。

本发明采用纳米球阵列设计，而没有采用传统惠更斯超表面使用的纳米柱结构设计，避免了使用电子束光刻、反应离子束刻蚀等传统微纳结构制备工艺，有效降低基于超表面的纯相位空间光调制器制备工艺难度；本发明有效避免了因传统微纳结构制备工艺固有制备精度的限制和固有工艺误差。

本发明的空间光调制器相位调制原理是基于惠更斯超表面原理，纳米结构材料采用高折射率全介质材料，在入射光场照射下，纳米结构单元的电偶极子和磁偶极子震荡共振峰位置可以通过改变纳米结构的几何结构参数进行调制，当设计的纳米结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡共振峰位置和强度相同时，入射光场引发的共振现象会极大程度抑制光场的后散射现象，获得高衍射效率的空间光调制器。

本发明的纯相位空间光调制器的液晶层部分的动态相位调制原理与公知的液晶纯相位空间光调制器原理相同，即通过外加电场改变液晶分子取向，进而改变液晶层的等效折射率，改变光在液晶层中经过的光程最终改变入射光的相位。

本发明中的取向层位于上基板面向双折射率材料的表面以及下基板面向双折射材料的表面上，为了避免光取向层对共振现象的影响，需要将取向层厚度制备的非常薄。本实施例给出以光取向材料ata-2作为光取向层的制备工艺流程，具体包括如下步骤：

(a)在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中以0.25wt％的质量分数溶解ata-2，经过过滤步骤后制备得到光取向溶液；(b)对透明ito导电玻璃进行清洗，使用丙酮、乙醇、去离子水分别用100khz超声清洗10分钟，随后在120℃的真空烘箱中烘干，最后将ito导电玻璃放入冲有高纯氩气和高纯氧气的等离子体清洗机中处理5分钟；(c)将光取向溶液旋涂在ito导电玻璃上，以800rpm的速度旋转5s，然后再用3000rmp速度旋转40s。之后，将ito导电玻璃在140℃在热台上烘烤5min；(d)用偏振光对ito电极进行相同偏振曝光，确定液晶预对准方向，保证液晶取向均匀水平分布。

本发明将间隔粒子均匀混合在框胶内，通过间隔粒子控制液晶层厚度；使用点胶机对上基板进行点胶封框，框定液晶所在区域，并留一个开口以便灌注液晶。将上基板与下基板对位贴合。本发明中利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶。灌注完成后，进行封口。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。