[发明专利]一种基于超表面结构锚定的纯相位空间光调制器

说明书

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。

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