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CN114791686A - 一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器 - Google Patents

一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器 Download PDF

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CN114791686A CN202210498168.4A CN202210498168A CN114791686A CN 114791686 A CN114791686 A CN 114791686A CN 202210498168 A CN202210498168 A CN 202210498168A CN 114791686 A CN114791686 A CN 114791686A
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Abstract

本发明公开一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，该空间光调制器的主要结构包括：由上而下依次设置的上基板和下基板，所述上、下基板之间填充有双折射材料，下基板包括具有锚定和像素点电压调制功能的基底，基底朝向上基板的表面分布有纳米砖阵列与覆盖在纳米砖阵列上的一层介质材料，上基板面向双折射材料的表面内具有取向层。本发明采用全介质材料制纳米砖阵列，提高空间光调制器件的集成度与紧凑度，提升对调制信号的响应速度，同时对于双折射材料具有底层取向角和预倾角的锚定功能，有效避免了因传统空间光调制器封装制备工艺固有取向精度的限制和固有工艺误差。

Description

一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器
技术领域
本发明涉及一种空间光调制器，属于光电器件技术领域。
背景技术
空间光调制器(SLM)是一种可以产生全息图和进行电光控制的器件。空间光调制器可以根据输入的控制信号实时调节入射光的幅值、相位和偏振，从而控制光场。
纯相位空间光调制器可以在不改变光场强度的情况下，重新配置通过或从每个像素反射的光的相位延迟，通常是通过改变器件的厚度或折射率来实现入射光的相位调制。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，可以改变液晶分子在不同电场下的取向。它提供了一种沿给定方向动态控制各像素折射率的方法，最终实现入射光波的相位调制。液晶空间光调制器已成为光学波前连续相位控制的主要方法。由于其灵活方便的光学波前调制，具有广泛的应用，其中应用最广泛的是基于硅液晶技术的反射式空间光调制器。
硅基液晶(LCoS)是一种在单晶硅上制作的反射式液晶空间光调制器。与传统的非晶或多晶硅薄膜晶体管(TFT)有源驱动矩阵相比，该有源驱动矩阵具有很大的优势。首先，LCoS采用单晶硅衬底，利用成熟的集成电路技术，大大提高了器件的集成度，提高了器件的可靠性。其次，单晶硅具有高迁移率，可以形成高密度开关矩阵，实现高密度像素显示和更高的分辨率。作为反射器件，减小了液晶层厚度，提高了响应速度，减小了边缘电场畸变效应。
超表面作为一种新型的平面光学元器件在近些年得到了发展，超表面使用称为纳米天线的纳米尺寸光学元件，通过设计纳米结构来实现对光的控制。虽然超表面已经成功地应用于静态光学元件，但是在各种应用中，动态地修改相位的能力是非常重要的。如果每个纳米天线都可以通过施加电压进行单独调整，则超表面将成为具有亚波长像素大小的SLM。
液晶(LC)可重构超表面得到了较快发展。此外，等离子体超表面还可以用作光掩膜，进一步刻蚀液晶聚合物。液晶显示器表现出非凡的光学特性，包括高双折射率、敏感的偏振依赖性、非常宽的光谱响应等等。然而，许多报道的作品仅仅是LC和超表面的并置，而没有考虑它们之间的相互作用。例如，在许多基于LC的超表面中，LC的排列是一个大问题。不规则或高度对称(几何各向同性)的超表面结构无法实现完美的均匀排列的LC。在超表面上附加一层摩擦层可以完美地对齐LC，然而，机械摩擦可能会对超表面产生破坏。
取向层的加入对液晶与超表面的相互作用有显著影响。因此，直接组合或添加准直层都会影响液晶基超表面的光学性能。超表面结构可以帮助对齐LC分子，形成紧凑和可集成的足迹。然而，通过纳米通道或纳米孔洞实现对液晶取向的排列机制仍具有难度。此外，它们还可能引起一些对准缺陷和不可忽略的散射。因此，在设计时必须仔细考虑液晶准直和超表面结构。
对于硅基液晶空间光调制器，当像素电极尺寸与上下基板的间距(液晶盒厚)可以比拟的时候，在像素的边缘，电场不是垂直于电极表面，而是具有横向分量。这种横向电场的分量叫做边缘电场。当相邻像素间存在电压差时，边缘场会驱使邻近像素的液晶分子做不应有的偏转，而导致像素间的串扰。这种现象被称为边缘场效应。而液晶盒盒厚的进一步减小只能依赖于液晶材料的发展。因此，边缘场效应的出现不可避免。边缘场效应有两种表现：一是工作像素中心出现液晶分子倾角反转区，即此区域的液晶分子有相反的倾角方向，而不能实现应有的偏转。另一个表现是非工作像素的液晶分子由于黏性作用而被工作像素的液晶分子带动偏转。对于全息显示而言，边缘场导致非理想的相位分布，致使加载的相位全息图发生畸变，而无法精确成像。
发明内容
技术问题：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结构锚定的纯相位空间光调制器，实现高速响应，且能够精确对LC进行取向。
技术方案：为了达到上述目的，本发明提供一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，该调制器包括包括由上而下依次设置的上基板和下基板，所述上基板和下基板之间填充有双折射材料；其中，下基板包括具有像素点电压调制能力的基底，基底朝向上基板的表面分布有纳米砖阵列与覆盖在纳米砖阵列上的一层介质材料，上基板面向双折射材料的表面内具有取向层。
所述纳米砖阵列至少有部分位于双折射材料中；所述纳米砖阵列采用周期分布方式。
所述双折射材料采用液晶。
所述液晶采用电驱动方式工作或采用光驱动方式工作。
所述下基板包含像素化驱动电路。
所述基底朝向上基板的表面顶层具有像素电极，所述纳米砖阵列分布在像素电极上。
所述具有像素点电压调制能力的基底为刻有可独立寻址半导体电极的硅基集成电路芯片。
所述上基板为铟锡氧化物导电玻璃。
所述上基板取向层，其配向方式为光取向或摩擦取向，入射光为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用全介质材料制纳米砖阵列，获得高衍射效率的空间光调制器，可在短时间内获得所需调制量，提高了对调制信号的响应速度，同时采用超表面结构对液晶分子取向进行锚定，有效避免了因传统空间光调制器封装制备工艺固有取向精度的限制和固有工艺误差。液晶屏和超表面的协同融合可以使设计的光学器件在更高分辨率下工作，有利于可编程光电器件电路的小型化。
附图说明
图1为本发明提供的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器示意图。
图2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3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。
图4为本发明实施例中纳米砖阵列周期分布示意图
附图中有：上基板1，下基板2，具有像素点电压调制能力的基底201，纳米砖202，介质材料203，像素电极204，双折射材料3，液晶分子指向矢4。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其结构包括由上而下依次设置的上基板1和下基板2；上基板1与下基板2之间填充有双折射材料3。下基板2包括具有像素点电压调制能力的基底201和分布在基底上的纳米砖阵列202。上基板1面向双折射率材料的表面内制备有取向层。空间光调制器采用纳米砖结构对液晶分子取向进行锚定，有效避免了因传统空间光调制器封装制备工艺固有取向精度的限制和固有工艺误差，并提高空间光调制器响应速度。
具体的说，本例中上基板采用铟锡氧化物(ITO)导电玻璃。下基板中具有像素点电压调制能力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。双折射材料为液晶。纳米砖是具有透射率的全介质材料纳米砖，纳米砖材料可以采用高折射率介质材料，也可以采用低折射率介质材料，针对不同波长的入射光波长，纳米砖长宽不同。
本发明的空间光调制器是基于米氏共振原理，纳米砖材料采用高折射率全介质材料情况下，通过设计纳米砖几何结构尺寸可以使得纳米砖结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位，在这种情况下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。通过设计纳米砖几何结构尺寸使得纳米砖结构具有较高透射率，由于下基板为反射器件，光透过纳米砖后经像素电极204(位于CMOS电路硅基集成电路芯片顶层)反射再次经过纳米砖，器件总相位调制量也可以达到2π。
本发明通过将液晶与各项异性纳米砖结构超表面结合，将纳米砖结构作为取向层来对齐LC分子，通过改变纳米砖结构的方向来改变液晶在下基板2处的取向角，实现了对液晶取向角的高精度控制。
本发明在下基板表面覆盖一层薄的介质材料，通过控制介质材料在制备过程的倾斜角，实现对液晶分子预倾角的精确控制，提高空间光调制器对比度与响应速度。
图2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4分布情况；图3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4分布情况。
本发明的纯相位空间光调制器的相位调制原理是通过外加电场改变液晶分子取向，进而改变全介质纳米砖结构周围局部环境的等效折射率和共振现象，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砖结构内，而不是发生在液晶层中，所述的相位调制原理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。
本发明中所述的纳米砖阵列结构采用全介质材料，可以使用的材料包括：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。上述材料为效果较优的高折射率全介质材料。本实例中给出以二氧化钛为介质材料制备纳米砖结构的制备工艺流程，具体包括如下步骤：
利用电子束光刻技术(EBL)在硅基衬底上制备二氧化钛超表面，然后进行蒸镀和剥离。用丙酮和异丙醇(IPA)在超声波浴中清洗基板。为了通过EBL对二氧化钛超表面进行图案处理，将正电子束抗蚀剂(AR-P 6200.09)旋涂在衬底上，形成厚度为150nm的抗蚀剂层。随后，进一步旋涂一层薄薄的导电溶液(AR-PC 5090.02)，以防止随后电子束暴露时的电荷积累效应。150℃预热2分钟。EBL采用nB5纳米束系统，所使用的电流和电压分别为4nA和80kV，每个模式暴露的区域为20*20μm2。图案绘制是在AR 600-546上完成的，绘制时间60秒。随后，在电子束蒸发系统(TF-500,HHV)中，沉积了2nm的铬附着力层和50nm厚的金膜。沉积过程的蒸发速率控制在
Figure BDA0003633705320000051
蒸镀箱内部真空水平为5*10-6Torr。最后，在抗蚀剂(AR600-71)中经过剥离过程后，获得了二氧化钛超表面。
本发明中所述的覆盖在下基板上表面的介质材料可以使用的材料包括：二氧化硅、氮化硅、氮化镓、砷化鎵，铝砷化镓、碲化铅、碳化硅。上述材料为效果较优的介质材料。本实例中给出以二氧化硅为介质材料制备纳米砖结构的制备工艺流程，具体包括如下步骤：
在标准蒸镀室中，用电子束对以坩埚中二氧化硅粉末为源的二氧化硅薄膜进行倾斜蒸镀。二氧化硅源到基底的标称距离约为21英寸。基板安装工作台可从0到90连续倾斜。二氧化硅薄膜的厚度约为40nm。
液晶预倾角可由二氧化硅蒸发方向的相对方向确定。在沉积角较小时，预倾角较大。当沉积角大于30°时，液晶均匀排列，倾斜角度为0°。可以通过改变蒸镀过程中的基板安装工作台的倾斜角改变二氧化硅薄膜中二氧化硅的倾斜角度，进而控制液晶的预倾角。
本发明所述的纳米砖阵列分布方式采用周期分布方式。图4是本发明的纳米砖阵列周期分布示意图。纳米砖周期分布在像素电极203上，这种设计方案有效的避免了相邻介质纳米砖的相互作用和近场耦合效应，避免因相互作用和近场耦合改变结构有效相位。
本发明中上基板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。
本发明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：
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；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；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；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。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：该调制器包括由上而下依次设置的上基板(1)和下基板(2)，所述上基板(1)和下基板(2)之间填充有双折射材料(3)；其中，下基板(2)包括具有像素点电压调制能力的基底(201)，基底朝向上基板的表面分布有纳米砖(202)阵列与覆盖在纳米砖(202)阵列上的一层介质材料(203)，上基板面向双折射材料的表面内具有取向层。
2.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述纳米砖阵列至少有部分位于双折射材料(3)中；所述纳米砖阵列采用周期分布方式。
3.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述双折射材料(3)采用液晶。
4.根据权利要求3所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述液晶采用电驱动方式工作或采用光驱动方式工作。
5.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述下基板(2)包含像素化驱动电路。
6.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述基底(201)朝向上基板的表面顶层具有像素电极，所述纳米砖阵列分布在像素电极上。
7.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述具有像素点电压调制能力的基底(201)为刻有可独立寻址半导体电极的硅基集成电路芯片。
8.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述上基板(1)为铟锡氧化物导电玻璃。
9.根据权利要求1所述的基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器，其特征在于：所述上基板取向层，其配向方式为光取向或摩擦取向，入射光为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。
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