基于相变材料Sb制造技术

本发明专利技术公开了一种基于相变材料Sb

【技术实现步骤摘要】
基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜
本专利技术涉及超构透镜
，具体涉及一种基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜。
技术介绍
作为一种基于超构表面的新兴技术，超构透镜不仅体积小，而且具有前所未有的控制入射光波前聚焦的能力，为光学透镜的集成化提供了一个新的平台。随着超构透镜研究的快速发展，超构透镜在实际应用中的局限性逐渐显现，例如工作带宽有限、焦距固定等。因此，许多研究都致力于可调超构透镜。对于可调超构透镜，变焦超构透镜是最重要的组成部分之一。变焦超构透镜使传统透镜的微型化应用成为可能，例如警报、激光加工、虚拟成像和探测。近年来，人们对微机电系统(MEMS),横向驱动和柔性衬底等变焦策略进行了广泛的研究。然而，精确的机械结构或高电压的要求可能会限制实际应用。另一方面，超构透镜也实现了将x偏振光和y偏振光在不同焦点上进行聚焦，或将右旋光和左旋圆偏振光在不同焦点上进行聚焦。但在实际应用中，光源相同的变焦透镜是最常见的。除上述方法外，具有明显的相变，开关速度快等特点的相变材料也可以用于制备变焦超构透镜。Ge2Sb2Te5(GST)是最常见的用于超构透镜的相变材料，其折射率在非晶态和晶体态之间有显著变化，且切换速度快。但是，晶态GST中存在着不可忽视的吸收。因此，对于一个超构透镜，GST通常用于控制焦点的有无。通过将一个超构透镜分为多个区域，每个区域对应一个焦点，通过开关不同的焦点，可以实现不同变焦超构透镜。但这种方式将会减少焦点的聚焦效率.二氧化钒(VO2),另外一种广泛使用的相变材料,可以在介质态和金属钛之间进行相变的切换。二氧化钒已经被用来实现在透射型聚焦和反射性聚焦的切换，但是两种状态下超构透镜的焦距是不能改变的。此外，二氧化钒需要恒定的热能来维持金属态也限制了它的应用。上述相变材料在用于作更为实用的透射型变焦超构透镜时存在局限性。近年来，有研究表Sb2S3具有超低损耗可逆相变特性.在发掘了Sb2S3的相变特性后，基于Sb2S3的布拉格光栅和动态滤波器被研究出来。作为相变材料，Sb2S3在非晶态和晶体态均为低吸收介质。在800nm-1600nm波长范围内，折射率实部的变化约为0.6，为近红外透射型变焦超构透镜的设计提供了可能。此外，利用热控或光控，可实现其状态的精确切换。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，首次将相变材料Sb2S3用于基于PB相位的热调制变焦超构透镜。在近红外区域内，Sb2S3的非晶态和晶体态之间不仅有实部折射率变化，而且两种状态下的损失都很低。通过将Sb2S3在两种状态之间进行切换，实现可变焦距的双层超构透镜。本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：一种基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，包括底层的椭圆Si纳米柱和上层的椭圆Sb2S3纳米柱；椭圆Si纳米柱周围沉积有填充材料SiO2，填充材料SiO2和椭圆Sb2S3纳米柱之间沉积有ITO层。进一步地，所述ITO层作为导电层，通过对导电层施加电流脉冲，加热Sb2S3，Sb2S3的状态在非晶态和晶体态之间进行可逆切换，对于非晶态Sb2S3，Sb2S3纳米柱作为半波片工作，此时，超构透镜的焦距为F1；将Sb2S3转换为晶态后,Sb2S3纳米柱作为全波片工作，此时的焦距为F2。进一步地，所述ITO层的厚为30nm。进一步地，所述基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜的相位分布采用PB相位法；当圆偏振光入射到沿长轴方向旋转角度为θ的纳米柱上时，琼斯矩阵表示为：其中J(θ)为相位变化，to、te代表线偏振光沿Si纳米柱长轴和短轴的复透射系数；因此，当Sb2S3处于晶体状态，具有全波片功能，所以Sb2S3纳米柱不具备影响入射光相位分布的能力，因此，超构透镜的工作原理是基于单层PB相位和Si纳米柱层；对于右旋圆入射光，旋转角度为θ1的Si纳米柱可插入等于2θ1的相位分布；当Sb2S3切换到非晶态时，Sb2S3纳米柱起半波片的作用，此时，超构透镜变成了双层透镜，Sb2S3纳米柱和Si纳米柱将一起提供相位分布；对于通过两层P-B相变单元的右旋圆偏振光，其输出光写成:其中和代表右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，T1、T2、T1'和T2'是下面方程式的简化:其中to、te、to'和te'代表线偏振光沿Si纳米柱和非晶态Sb2S3纳米柱长轴和短轴的复透射系数；θ1为Si纳米柱的旋转角度，θ2为Sb2S3纳米柱的旋转角度；由于两个纳米柱的作用都是半波片，所以to+te和to'+te'可看成是零，因此，双层单元可插入等于2(θ2-θ1)的相位分布。进一步地，所述基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜的网格设置为20nm×20nm×20nm，在x轴和y轴上应用周期边界条件，在z轴上应用完美匹配层边界条件，纳米柱的周期为700nm×700nm，对于Si纳米柱，长轴、短轴和高分别为a1、b1和h1；对于Sb2S3纳米柱，长轴、短轴和高分别为a2、b2和h2；两层之间的SiO2的宽度为0.7μm；在a1＝480nm,b1＝140nm,h1＝1μm处，相位差近似于π，说明Si纳米柱可作为半波片；当Sb2S3处于非晶态和结晶态时，采用同样的方法得到相应的相位差；在a2＝560nm,b2＝188nm,h2＝1.2μm，当Sb2S3为非晶态时，折射率实部为2.767，相位差接近π；当Sb2S3为晶态时，折射率实部为3.343，相位差接近2π，这意味着Sb2S3纳米柱可在不同状态下作为半波片和全波片工作。进一步地，所述基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜的每个纳米鳍的旋转角度应满足相位的空间变化要求:其中xi和yi为空间坐标，F为设计焦距，λ0为工作波长1310nm，设置焦距为F1＝15μm和F2＝20μm,Sb2S3分别为非晶态和结晶态，超构透镜直径约为30.6μm，因此，根据式(1)(2)(4)，旋转角θ1、θ2必须满足以下条件:与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：本专利技术首次将Sb2S3应用于变焦超构透镜。通过加热Sb2S3，它可以在非晶态和晶体态之间进行可逆切换。Sb2S3与广泛使用的相变材料的主要区别是，在近红外区，Sb2S3在非晶态和晶体态的损耗都很低。并且由于非晶态和晶态的实部折射率不同，会导致非晶态和晶态Sb2S3的作用不同。通过将Sb2S3与半波片和全波片的概念灵活地结合起来，通过加热相变材料，超构透镜可以将入射光分别聚焦在不同的焦点上。焦距F1和F2的焦点的聚焦效率分别在55％和50％以上。各焦点的半宽宽接近理论衍射极限。结果表明，该超构透镜具有较高的成像质量。与以往的研究相比，热调制超构透镜能实现无机械补偿或改变入射光的焦距切换。该变焦超构透镜在光学技术、双功能器件、生物医学科学、显示技术和虚拟现实等领域具有重要的应用前景。附图说明为了更清楚地说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相变材料Sb

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，其特征在于，包括底层的椭圆Si纳米柱和上层的椭圆Sb2S3纳米柱；椭圆Si纳米柱周围沉积有填充材料SiO2，填充材料SiO2和椭圆Sb2S3纳米柱之间沉积有ITO层。


2.根据权利要求1所述的基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，其特征在于，所述ITO层作为导电层，通过对导电层施加电流脉冲，加热Sb2S3，Sb2S3的状态在非晶态和晶体态之间进行可逆切换，对于非晶态Sb2S3，Sb2S3纳米柱作为半波片工作，此时，超构透镜的焦距为F1；将Sb2S3转换为晶态后,Sb2S3纳米柱作为全波片工作，此时的焦距为F2。


3.根据权利要求1所述的基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，其特征在于，所述ITO层的厚为30nm。


4.根据权利要求1所述的基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，其特征在于，所述基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜的相位分布采用PB相位法；当圆偏振光入射到沿长轴方向旋转角度为θ的纳米柱上时，琼斯矩阵表示为：



其中J(θ)为相位变化，to、te代表线偏振光沿Si纳米柱长轴和短轴的复透射系数；因此，当Sb2S3处于晶体状态，具有全波片功能，所以Sb2S3纳米柱不具备影响入射光相位分布的能力，因此，超构透镜的工作原理是基于单层PB相位和Si纳米柱层；对于右旋圆入射光，旋转角度为θ1的Si纳米柱可插入等于2θ1的相位分布；
当Sb2S3切换到非晶态时，Sb2S3纳米柱起半波片的作用，此时，超构透镜变成了双层透镜，Sb2S3纳米柱和Si纳米柱将一起提供相位分布；对于通过两层P-B相变单元的右旋圆偏振光，其输出光写成:



其中和代表右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，T1、T2、T1'和T2'是下面方程式的简化:
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦中超，秦帅，黄辉，揭凯茜，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44