一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件及实现方法-凯发k8娱乐

本发明属于微纳光学器件，更具体地说，是涉及一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件及实现方法。

背景技术：

1、光束偏折是一种基础且重要的光束操控行为，一直是光学领域的研究重点，在激光雷达、高端芯片、自由空间光通信、高灵敏传感等方面都具有重要潜在应用，可应用于通讯、生物医疗、天文观测和国防军事等众多领域。因此，实现大角度、高效率的光束偏折对于光学元件的设计具有重要的意义。常见的实现光束偏折的技术包括衍射光栅、电光陶瓷晶体、液晶、摆镜、振镜扫描等技术，通常上使用相位积累的光束偏折，具有体积大、不易集成，或是大角度偏折效率低的缺点，在摆镜、振镜技术中，由于存在机械运动存在机械失效的风险。近年来，人们提出了超构表面(一种新型的亚波长光学结构)，结合亚波长单元结构的光场调控能力和液晶的偏振调控能力，可以实现大角度、高效率的动态光束偏折。

2、超构表面是近些年来一种新型的基于广义斯涅耳定律的平面光学调控元件，由亚波长尺寸大小和间隔的散射体在二维平面上周期或非周期排列构成。通过对散射体的形状、大小、位置和方向进行调整，几乎可以实现光的相位、振幅、偏振和频率的任意调控。利用超构表面灵活的结构设计和新颖的机制，可以设计出紧凑的动态光学元器件，目前已经实现了光束偏折、平面透镜、全息显示等功能，具有广阔的应用前景。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件及实现方法，通过将超构表面与液晶进行集成，对液晶施加不同的电压调控液晶的折射率，从而调控超构表面出射光的相位延迟，构建出不同的相位梯度，实现光束偏折的动态可调，本偏折器件功耗低、偏转效率高、体积小，易加工，具有大规模生产的潜力。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，包括底层介质衬底，在底层介质衬底的上面设有金属反射层，在金属反射层的上面设有第一种电介质材料层，在第一种电介质材料层内包覆设有电介质纳米柱结构阵列，电介质纳米柱结构阵列包含多个纳米柱结构，在第一种电介质材料层的上面设有第二种电介质材料层，向列相液晶设置在第二种电介质材料层内，在第二种电介质材料层的上面设有光致取向层，在光致取向层的上面设有氧化铟锡透明电极，在氧化铟锡透明电极的上面设有顶层透明介质衬底，入射光从顶层透明介质衬底的上面射入。

4、优选地，所述底层介质衬底可采用石英衬底或硅衬底或者氧化硅衬底。

5、优选地，所述金属反射层可采用金或银或铝制成。

6、优选地，所述纳米柱结构可采用矩形纳米柱或圆形纳米柱或椭圆纳米柱。

7、优选地，所述纳米柱结构的材料包括tio2、hfo2、zro2、gan、si2n3、si、gaas、zns或aln。

8、优选地，所述纳米柱结构的高度范围为20nm-1500nm，所述纳米柱结构在所述底层介质衬底的表面的结构尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱结构在所述底层介质衬底的表面任意设置。

9、一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件的实现方法，方法内容如下：先在底层介质衬底上镀上金属反射层，然后旋转涂布光刻胶，使用电子束曝光技术对光刻胶曝光显影，制作出与电介质纳米柱结构阵列互补的孔洞结构，曝光后的光刻胶可作为第一种电介质材料使用，然后使用原子层沉积技术沉积电介质纳米柱结构材料填补孔洞得到电介质纳米柱结构阵列和一层附带的电介质膜层；然后使用离子束刻蚀技术去除电介质膜层；然后再旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，烘烤，使用电子束光刻技术套刻曝光显影，制作出第二种电介质材料；然后再选择顶层透明介质衬底，顶层透明介质衬底上生长有一层氧化铟锡透明电极薄膜，在氧化铟锡透明电极薄膜的表面上涂布光致取向层，然后将两片衬底相对放置，最后向底层介质衬底和顶层透明介质衬底之间灌注液晶胶装成盒完成器件制作。

10、优选地，通过数值仿真获取不同结构尺寸电介质纳米柱结构在设计波长下的传播相位响应及偏振转换效率，找出能够实现理想半波片功能的电介质纳米柱结构，按光束偏折所需相位梯度进行排列，将电介质纳米柱结构用第一种电介质材料包覆，电介质纳米柱结构与x轴呈45度或者135度周期排列，然后在电介质纳米柱结构上方交替排布第二种电介质材料和向列相液晶，向列相液晶层的厚度使得向列相液晶层实现半波片功能。

11、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

12、1、本发明提出的基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件通过对液晶施加不同的电压调控液晶的折射率，从而调控超构表面出射光的相位延迟，构建出不同的相位梯度，实现光束偏折的动态可调，并且该光束偏折器件功耗低、偏转效率高、体积小，易加工，具有大规模生产的潜力。

13、2、本发明巧妙地将超构表面与液晶集成，充分利用了超构表面和液晶的偏振调控能力，实现了偏振不敏感的光束偏折，进一步扩展了超构表面的功能和应用。

14、3、本发明采用电控调谐的方式，调谐过程简单，不需要复杂的控制系统，性能稳定，不具有机械运动部件，因此可避免损耗和可靠性问题。

15、4、本发明结构组成简单，超构表面平面结构使得加工简单，可大批量制造。

16、5、本发明的超构表面可在一定宽带波长范围内使用，通过选择不同的材料，可以扩展到在紫外波段、可见光波段和红外波段使用。

技术特征：

1.一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，其特征在于，包括底层介质衬底，在底层介质衬底的上面设有金属反射层，在金属反射层的上面设有第一种电介质材料层，在第一种电介质材料层内包覆设有电介质纳米柱结构阵列，电介质纳米柱结构阵列包含多个纳米柱结构，在第一种电介质材料层的上面设有第二种电介质材料层，向列相液晶设置在第二种电介质材料层内，在第二种电介质材料层的上面设有光致取向层，在光致取向层的上面设有氧化铟锡透明电极，在氧化铟锡透明电极的上面设有顶层透明介质衬底，入射光从顶层透明介质衬底的上面射入。

2.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，其特征在于，所述底层介质衬底采用石英衬底或硅衬底或者氧化硅衬底。

3.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，其特征在于，所述金属反射层采用金或银或铝制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，其特征在于，所述纳米柱结构采用矩形纳米柱或圆形纳米柱或椭圆纳米柱。

5.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，其特征在于，所述纳米柱结构的材料包括tio2、hfo2、zro2、gan、si2n3、si、gaas、zns或包括tio2、hfo2、zro2、gan、si2n3、si、gaas、aln。

6.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件，其特征在于，所述纳米柱结构的高度范围为20nm-1500nm，所述纳米柱结构在所述底层介质衬底的表面的结构尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱结构在所述底层介质衬底的表面任意设置。

7.一种实现如权利要求1所述基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件的实现方法，其特征在于，先在底层介质衬底上镀上金属反射层，然后旋转涂布光刻胶，使用电子束曝光技术对光刻胶曝光显影，制作出与电介质纳米柱结构阵列互补的孔洞结构，曝光后的光刻胶可作为第一种电介质材料使用，然后使用原子层沉积技术沉积电介质纳米柱结构材料填补孔洞得到电介质纳米柱结构阵列和一层附带的电介质膜层；然后使用离子束刻蚀技术去除电介质膜层；然后再旋涂聚甲基丙烯酸甲酯pmma，烘烤，使用电子束光刻技术套刻曝光显影，制作出第二种电介质材料；然后再选择顶层透明介质衬底，顶层透明介质衬底上生长有一层氧化铟锡透明电极薄膜，在氧化铟锡透明电极薄膜的表面上涂布光致取向层，然后将两片衬底相对放置，最后向底层介质衬底和顶层透明介质衬底之间灌注液晶胶装成盒完成器件制作。

8.根据权利要求7所述的基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件的实现方法，其特征在于，通过数值仿真获取不同结构尺寸电介质纳米柱结构在设计波长下的传播相位响应及偏振转换效率，找出能够实现理想半波片功能的电介质纳米柱结构，按光束偏折所需相位梯度进行排列，将电介质纳米柱结构用第一种电介质材料包覆，电介质纳米柱结构与x轴呈45度或者135度周期排列，然后在电介质纳米柱结构上方交替排布第二种电介质材料和向列相液晶，向列相液晶层的厚度使得向列相液晶层实现半波片功能。

技术总结
本发明公开了一种基于超构表面的偏振不敏感动态光束偏折器件及实现方法，涉及微纳光学器件技术领域。依次包括底层介质衬底、金属反射层、电介质纳米柱结构阵列、第一种电介质材料层、第二种电介质材料层、向列相液晶、光致取向层、氧化铟锡透明电极以及顶层透明介质衬底，其中电介质纳米结构柱阵列包覆在第一种电介质材料层之内。本发明通过将超构表面与液晶进行集成，对液晶施加不同的电压调控液晶的折射率，从而调控超构表面出射光的相位延迟，构建出不同的相位梯度，实现光束偏折的动态可调。本发明由于不具有机械运动部件，因此可避免损耗和可靠性问题，并且该光束偏折器件功耗低、偏转效率高、体积小，易加工，具有大规模生产的潜力。

技术研发人员：胡跃强,欧香念,娄少臻,庾点,段辉高,贾红辉
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17