一种连续相位超构表面结构、空间光调制器以及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种连续相位超构表面结构、空间光调制器以及制备方法，其连续相位超构表面结构包括：衬底与若干楔形超表面单元；当连续相位超构表面结构被配置为空间光调制器的基板时，通过楔形超表面单元产生连续的相位梯度，以实现反射/透射的光束转向调整、近亚微米级别的高分辨率取向液晶以及近亚微米级别的高分辨图形化配向液晶之中的一种或多种操作。本发明专利技术通过产生连续的相位梯度且液晶控制偏振方向来满足激光雷达、光通信等实际应用中对光束转向的要求，尤其是不再受偏转角和旁瓣噪声的约束；且可以对液晶取向并使其产生预倾角，这让液晶在外场驱动时更加有序且光电性能增强；同时，还通过高分辨图形化配向液晶来实现矢量光束的产生和调控。现矢量光束的产生和调控。现矢量光束的产生和调控。

【技术实现步骤摘要】
一种连续相位超构表面结构、空间光调制器以及制备方法


[0001]本专利技术涉及光调制
，尤其涉及一种连续相位超构表面结构、空间光调制器以及制备方法。

技术介绍

[0002]激光雷达、光通信、全息显示、激光加工等许多应用都需要光束控制器去完成光束偏转或者整形。目前实现光束转向的技术依赖于宏观或微观的机械手段或液晶空间光调制器，其中，宏观机械式的光束偏转主要利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光束扫描；而微观机械式的器件主要借助微机电系统(MEMS)控制光束扫描。而基于液晶的空间光调制器，是利用像素块的电压驱动去实现液晶的相位控制，从而构造预制的波前相位，使得光束偏转或整形。
[0003]然而，机械式的波束转向是缓慢、笨重和昂贵的；而通过使用液晶像素阵列来实现光束转向，会因其液晶大像素区域进而导致反射/透射光束中的衍射旁瓣，在激光雷达应用中，旁瓣会降低转向效率，引起误报，并引入噪声。另外，自由空间光通信中的旁瓣还会产生串扰和窃听信道，从而降低安全性。虽然使用光圈可以消除不必要的衍射指令(旁瓣)，但这限制了角扫描范围。因此，消除衍射光束对光束转向装置是一个挑战。
[0004]此外，自动驾驶汽车的激光雷达系统使用波束转向作为关键部件，但这种应用需要60
°
至120
°
的大视场(FOV)范围来创建场景扫描。因此，大视场范围的光束偏转问题也是一个迫切需要解决的问题和挑战。然而，目前的大多数工作是实现大的偏转范围是具有挑战性的或实际加工制造难以达到复杂的设计要求。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种连续相位超构表面结构、空间光调制器以及制备方法，其解决了现有的波束转向装置受旁瓣噪声以及偏转角约束的技术问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0009]第一方面，本专利技术实施例提供一种连续相位超构表面结构，包括：
[0010]衬底；
[0011]若干可调谐连续相位的楔形超表面单元，被设置在所述衬底上；
[0012]其中，当所述连续相位超构表面结构被配置为空间光调制器的基板时，通过所述楔形超表面单元产生连续的相位梯度，以实现反射/透射的光束转向调整、近亚微米级别的高分辨率取向液晶并使液晶产生预倾角以及近亚微米级别的高分辨图形化配向液晶之中的一种或多种操作。
[0013]可选地，
[0014]所述衬底的材料为硅或者ITO玻璃；
[0015]所述楔形超表面单元的材料为包含金、银、铝以及铜的贵金属材料或者包含TiO2、SiO2、Si以及聚合物的介电材料。
[0016]第二方面，本专利技术实施例提供一种连续相位超构表面结构的制备方法，应用于如上所述的连续相位超构表面结构，包括：
[0017]通过电子束曝光将涂设在衬底上的光刻胶层图案化，并基于预先设置的电子束蒸镀系统与蒸镀材料对图案化的光刻胶层进行沉积；
[0018]采用预设的去胶液将经沉积后的图案之外的光刻胶层剥离，使得沉积后的图案保留到衬底上以形成楔形超表面单元。
[0019]可选地，通过电子束曝光将涂设在衬底上的光刻胶层图案化，并基于预先设置的电子束蒸镀系统对图案化的光刻胶层进行沉积包括：
[0020]在衬底上镀设的铝薄膜表面上旋涂正性电子束光刻胶，制备出厚度为440～460nm的光刻胶层；
[0021]在对带有光刻胶层的衬底进行145～155℃预焙1.5～2.5min之后，在1.5～2.5nA电流、75～85kV电压的条件下，以350μC/cm2的剂量进行电子束光刻曝光；
[0022]将曝光的衬底置于显影液中显影58～62s，在衬底上得到呈底面为梯形的四棱柱形状的光刻胶图案；
[0023]在显影之后，基于预先设置的电子束蒸镀系统与蒸镀材料在真空度为5
×
10E
‑
6Torr与蒸发速率控制在的条件下，对所述呈底面为梯形的四棱柱形状的光刻胶图案实施镀膜沉积操作；
[0024]随着镀膜沉积厚度的增加至70nm时，将所述呈底面为梯形的四棱柱形状的光刻胶图案的短边口处封上，继而对长边口处继续进行镀膜沉积操作，直至得到175～185nm的楔形超表面单元。
[0025]第三方面，本专利技术实施例提供一种基于连续相位超构表面结构的反射/透射型空间光调制器，包括：
[0026]相对设置的两基板与设置在两基板之间的液晶分子层；
[0027]一基板为带有摩擦取向层的ITO玻璃板；
[0028]另一基板为连续相位超构表面结构，所述连续相位超构表面结构包括：衬底以及设置在所述衬底上的楔形超表面阵列，所述楔形超表面阵列包括多个不同周期的楔形超表面单元组，每一楔形超表面单元组均包括若干同一周期的楔形超表面单元；
[0029]其中，通过对两基板之间的液晶分子层施加相应的电压，可实现反射/透射的光束转向调整、近亚微米级别的高分辨率取向液晶以及近亚微米级别的高分辨图形化配向液晶之中的一种或多种操作。
[0030]可选地，
[0031]通过对连续相位超构表面结构的包含长宽、周期、厚度的结构参数进行调整和/或通过预设的机械位移装置辅助移动使得不同周期的楔形超表面单元组被入射光入射或透射来得到所需的光束偏转角度；
[0032]通过实施近亚微米级别高分辨率取向液晶使得液晶产生一定的预倾角；
[0033]通过实施近亚微米级别的高分辨图形化配向液晶操作，产生并调控多种矢量光束
和/或涡旋光束。
[0034]可选地，所述液晶分子层包含若干扭曲向列液晶，且每一个液晶之间的间隙为4～6μm。
[0035]第四方面，本专利技术实施例提供一种反射/透射型空间光调制器的制备方法，应用于如上所述的反射/透射型空间光调制器，包括：
[0036]利用带有摩擦取向层的ITO玻璃板与所述连续相位超构表面结构组成液晶盒；
[0037]在预设温度下将液晶灌入液晶盒以形成反射/透射型空间光调制器。
[0038]可选地，利用带有摩擦取向层的ITO玻璃板与所述连续相位超构表面结构组成液晶盒包括：
[0039]将聚酰亚胺溶液旋涂在经清洁过的ITO玻璃板上，然后在195～205
°
C的烤箱中烘烤1.8～2.2小时，得到厚度为95～105nm的聚酰亚胺涂层；
[0040]利用摩擦机对所述聚酰亚胺涂层进行摩擦，得到带有摩擦取向层的ITO玻璃板；
[0041]将所述带有摩擦取向层的ITO玻璃板和所述连续相位超构表面结构通过掺有
±
5微米直径氧化硅的紫外固化胶粘合，组成液晶盒；
[0042]其中，通过加入
±
5微米直径的氧化硅微球将液晶盒内的间隙控制在4～6μm之间。
[0043]可选地，在预设温度下将液晶灌入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续相位超构表面结构，其特征在于，包括：衬底；若干可调谐连续相位的楔形超表面单元，被设置在所述衬底上；其中，当所述连续相位超构表面结构被配置为空间光调制器的基板时，通过所述楔形超表面单元产生连续的相位梯度，以实现反射/透射的光束转向调整、近亚微米级别的高分辨率取向液晶并使液晶产生预倾角以及近亚微米级别的高分辨图形化配向液晶之中的一种或多种操作。2.如权利要求1所述的一种连续相位超构表面结构，其特征在于，所述衬底的材料为硅或者ITO玻璃；所述楔形超表面单元的材料为包含金、银、铝以及铜的贵金属材料或者包含TiO2、SiO2、Si以及聚合物的介电材料。3.一种连续相位超构表面结构的制备方法，应用于如权利要求1或2所述的连续相位超构表面结构，其特征在于，包括：通过电子束曝光将涂设在衬底上的光刻胶层图案化，并基于预先设置的电子束蒸镀系统与蒸镀材料对图案化的光刻胶层进行沉积；采用预设的去胶液将经沉积后的图案之外的光刻胶层剥离，使得沉积后的图案保留到衬底上以形成楔形超表面单元。4.如权利要求3所述的一种连续相位超构表面结构的制备方法，其特征在于，通过电子束曝光将涂设在衬底上的光刻胶层图案化，并基于预先设置的电子束蒸镀系统对图案化的光刻胶层进行沉积包括：在衬底上镀设的铝薄膜表面上旋涂正性电子束光刻胶，制备出厚度为440～460nm的光刻胶层；在对带有光刻胶层的衬底进行145～155℃预焙1.5～2.5min之后，在1.5～2.5nA电流、75～85kV电压的条件下，以350μC/cm2的剂量进行电子束光刻曝光；将曝光的衬底置于显影液中显影58～62s，在衬底上得到呈底面为梯形的四棱柱形状的光刻胶图案；在显影之后，基于预先设置的电子束蒸镀系统与蒸镀材料在真空度为5
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6Torr与蒸发速率控制在的条件下，对所述呈底面为梯形的四棱柱形状的光刻胶图案实施镀膜沉积操作；随着镀膜沉积厚度的增加至70nm时，将所述呈底面为梯形的四棱柱形状的光刻胶图案的短边口处封上，继而对长边口处继续进行镀膜沉积操作，直至得到175～185nm的楔形超表面单元。5.一种基于连续相位超构表面结构的反射/透射型空间光调制器，其特征在于，包括：相对设置的两基板与设置在两基板之间的液晶分子层；一基板为带有摩擦取向层的ITO玻璃板；另一基板为连续相位超构表面结构，所述连续相位超构表面结构包括：衬底以及设...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘言军，王家伟，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：