集成液晶与超颖表面的微型全息显示器制造技术

本发明专利技术涉及一种集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，属于微纳光学领域。本发明专利技术将超颖表面直接加工在改良后的基于液晶的空间光调制器的下基板上，使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中并作为相位积累的主要贡献者，在具备传统器件相同的光场可任意调节的功能外，器件尺寸更加超薄小巧，具备更大的视场角与分辨率。结合计算机全息生成算法，在该微型器件结构上施加特定的二维电压分布，使得局域的液晶分子偏转，改变纳米天线局部所处的折射率环境，从而实现对出射光场复振幅的调控，在微型化、紧凑型的光学系统中呈现高效动态的全息显示功能。

【技术实现步骤摘要】
集成液晶与超颖表面的微型全息显示器
本专利技术涉及一种集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，属于微纳光学领域。
技术介绍
超颖表面是由亚波长尺寸的金属或电介质纳米天线构成的二维阵列。通过对纳米天线进行优化设计，超颖表面上的每个像素单元都可以在两介质的分界面引入相位突变，使得入射电磁波被施加上任意的相位分布。传统的光学器件多是依靠光程来产生相位积累，对器件的厚度有要求。相比之下，超颖表面具有超薄和极强的光场操纵能力等优点，可以对光波的基础特性进行整形，例如波长，相位，偏振态等等，基于此，研究人员们已经开展并实现了异常折射，超透镜，结构光场生成等众多有意义的理论与实验研究。动态可调超颖表面能够在制备完成后可控地输出不同信息，而不是仅仅只输出单一的信息量，是超颖表面研究的一个重要分支。基于动态可调超颖表面的动态全息显示是近些年的研究热点，实现动态全息显示的方法众多，包括超颖表面的空间交错复用，入射光的偏振态、入射角度和波长复用，利用微机电系统，或是利用在外部激励下可重构的材料。在此方面，实现全息图更多再现数量与更快的全息切换速度是研究学者们的诉求。在光学频段，锗锡锑、二氧化钒和液晶是纳米光学器件中常用的可调谐材料。其中具有双折射和局域电可调特性的液晶在其分子不同偏转角度的设置下可以构成不同的环境折射率。目前液晶与金属超颖表面、电介质超颖表面相结合的工作分别基于等离激元共振或是米氏共振原理，多集中于连续共振调谐和相位调制这两个研究方向。并且液晶层都是整层施加电压，其中的液晶分子全部偏转到同一个方向，使得液晶层只起到偏振片或是光阀的简单功能。近几年来有一些研究工作通过在液晶区域施加一维方向条带状分布的电压，实现了异常折射的功能。在此方面，将与超颖表面结合的液晶器件实现二维平面的控制还是十分具有挑战性的，即将传统的空间光调制器与超颖表面相结合，改良后实现对传统光学器件的全面革新。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种集成液晶与超颖表面的微型全息显示器。该器件将超颖表面直接加工在改良后的基于液晶的空间光调制器的下基板上，使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中并作为相位积累的主要贡献者，在具备传统器件相同的光场可任意调节的功能外，器件尺寸更加超薄小巧，具备更大的视场角与分辨率。结合计算机全息生成算法，在该微型器件结构上施加特定的二维电压分布，使得局域的液晶分子偏转，改变纳米天线局部所处的折射率环境，从而实现对出射光场复振幅的调控，在微型化、紧凑型的光学系统中呈现高效动态的全息显示功能。本专利技术目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器的结构中，超颖表面为透射式，工作在可见光波段，故纳米天线选用低损耗的电介质二氧化钛材料构成，需根据特定的工作情况选择合适的材料；动态材料为向列相液晶，在外加电压下可以实现其指向矢的偏转角度调制。根据所采用的计算全息算法，确定液晶朝向组合和微型全息显示器的参数。以最为简单的二值相位全息为例，由于全息图上的相位只有两个值，所以在该情况下需使微型全息显示器的单元结构在液晶的两个不同偏转角度下满足均一透射强度与π的相位差。若为避免二值全息算法带来的共轭像干扰，可在该微型全息显示器中引入多值相位全息图，挑选多个液晶朝向进行组合，并筛选出满足均一振幅与相应相位差值的器件参数。随后在二维平面上区域性控制施加在每个单元结构上的电压值，致使入射光场的复振幅得到对应调制，实现任意多张全息图的动态再现功能。集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，将超颖表面直接加工在基于液晶的空间光调制器的下基板上，即使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中，形成二维电压调控；使得空间光调制器实现更小体积、更大视场角与高分辨率。所述微型全息显示器通过下述步骤确定，其中涉及的仿真部分可由基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD、基于有限元方法的COMSOL和商业数学软件MATLAB实现；步骤一：确定微型全息显示器的基本参数；(1)确定纳米天线阵列和液晶的参数；天线参数包括：材料、形状、特征自变量、像素周期和天线的初始高度；液晶的参数包括：种类、初始取向和液晶层的初始厚度；天线的材料：根据微型全息显示器的工作波长确定，选择在所确定工作波长下损耗小的材料以确保器件的高效率；例如在可见光波段常用材料为二氧化钛，在近红外波段常用材料为非晶硅；天线的形状：天线的水平横截面应满足C4对称，即所选形状的水平横截面是具有四重对称轴的简单形状，例如圆柱体；天线的特征变量：确定天线的形状后，不同形状对应不同的特征变量，例如圆柱体对应的特征变量为半径，截面为正方形的立方体对应的特征变量为边长；天线的像素周期：固定像素周期P，使P满足亚波长尺寸；天线的初始高度：固定天线的初始高度H，根据具体加工能力确定；液晶的种类：正型和负型均可，尽量选择双折射率值大的液晶型号；液晶的初始取向：初始取向满足液晶分子的指向矢平行于x轴；液晶层的初始厚度：固定液晶层的初始厚度h，根据具体加工能力确定；(2)确定液晶朝向组合；依据全息算法，液晶朝向组合的确定方法为：计算机算法得到的全息图可简单分为二值相位全息图和多值相位全息图，即一张全息图由不同数量的相位值构成，不同相位值的数量也称为相位全息图的阶数。若为二值相位全息图，全息图中仅含有两个相位值，阶数为2；根据相位全息图的阶数n，将90度等间距分成n个值，确定液晶朝向组合中的角度值；例如四阶相位全息图对应四个不同的液晶朝向角度，可等间距分为0度、30度、60度和90度，以此确定液晶朝向组合。步骤二：确定微型全息显示器的单元结构参数；微型全息显示器像素周期与步骤一确定的天线的像素周期相同；每个像素周期称为一个单元结构；微型全息显示器的单元结构与传统液晶空间光调制器的单个像素结构相似但有所改良，相似点体现在均为在上下电极基板中填充液晶，不同点体现在微型全息显示器的下电极基板上存在超颖表面的纳米天线；微型全息显示器单元结构参数的确定通过下述步骤实现，(1)参数扫描：对步骤一中基本参数确定的微型全息显示器的单元结构进行扫描仿真，将液晶朝向组合中的角度值作为自变量A，将天线的特征变量作为自变量B；在不同的自变量A下，入射工作波长为λ的x偏振光，扫描自变量B，获取天线特征变量的改变对同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx的影响；例如，液晶朝向组合中有4个角度值，分别为A1、A2，A3，A4，天线为特征变量为边长的立方体，扫描过程为首先固定微型全息显示器单元结构中的液晶朝向角度为A1，在该角度下遍历所有的边长尺寸并记录探测的数据结果；之后将液晶朝向角度依次更换为A2、A3、A4，重复上述遍历过程，直至获得A1至A4朝向下的同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx能达到的所有值；(2)结构筛选：汇总参数扫描后得到的不同液晶朝向下同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx能达到的所有值，从中筛选出天线的特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，其特征在于：将超颖表面直接加工在基于液晶的空间光调制器的下基板上，即使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中，形成二维电压调控；使得空间光调制器实现更小体积、更大视场角与高分辨率。/n

【技术特征摘要】
1.集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，其特征在于：将超颖表面直接加工在基于液晶的空间光调制器的下基板上，即使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中，形成二维电压调控；使得空间光调制器实现更小体积、更大视场角与高分辨率。


2.如权利要求1所述的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，其特征在于：所述微型全息显示器结构通过下述步骤确定：
步骤一、根据使用需求确定纳米天线阵列和液晶的参数；
天线参数包括：材料、形状、特征变量、像素周期和天线初始高度；
液晶参数包括：种类、初始取向和液晶层的初始厚度；
根据全息算法确定液晶朝向组合；
步骤二、确定微型全息显示器的单元结构参数；
微型全息显示器的像素周期与步骤一确定的天线的像素周期相同；每个像素周期称为一个单元结构；
对步骤一中基本参数确定的微型全息显示器的单元结构进行扫描仿真，将液晶朝向组合中的角度值作为自变量A，将天线的特征变量作为自变量B；在不同的自变量A下，入射工作波长为λ的x偏振光，扫描天线特征变量的改变对同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx的影响；
对扫描结果进行汇总，筛选出天线的特征变量，即确定自变量B；筛选条件：在液晶不同的朝向设置下，需同时满足1)透过单元结构的同偏振方向出射光场的相位呈现和相位全息图中一样n阶梯度变化，相位间隔与(2π/n)的差值最小；2)透过单元结构的同偏振方向出射光场的透射率彼此间差值不超过0.15；
若步骤二中无法得到满足筛选条件的天线的特征变量，则将天线的初始高度、液晶层的初始厚度、微型显示器的像素周期大小或工作波长进行微调后，重复步骤二，重新进行扫描，直至筛选出满足条件的自变量B；
步骤三：确定微型全息显示器中液晶层朝向的二维排布；
将计算机全息算法生成的梯度相位全息图上的相位值与步骤二中的满足筛选条件的扫描结果相对应，即液晶的每个朝向设置都对应全息图中的某一阶相位值；随后逐个像素地匹配液晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，祝双琦，王涌天，李晓炜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11