CN106773587A - 一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，包括起偏器、第一液晶层、偏振敏感金属纳米天线、第二液晶层、检偏器和接收屏，起偏器将光源的光转换为线偏光，线偏光通过第一液晶层后以偏振态出射，偏振光通过偏振敏感金属纳米天线层产生垂直入射偏振的散射光分量，偏振敏感金属纳米天线层的出射光依次经过第二液晶层和检偏器后生成带相位信息的偏振分量，筛选出的光最终到达接收屏，形成所需要的全息图像，所述第一液晶层和第二液晶层为90。扭曲向列型液晶。本发明调制电压低，分辨率高，解决了传统动态全息中难以实现振幅相位单独调控无法快速刷新和大面积显示集成的缺点，具有很好的发展和应用潜力。
Description
技术领域
本发明专利属于光学元件、系统或仪器领域，主要涉及到记录及成像系统方面的应用，具体涉及一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置。
背景技术
全息，自诞生之日起就以其记录信息的完备性而备受关注，它具有一次记录得可以得到实物三维信息，并且在再现光作用下恢复物体的三维原貌的优势。尤其在实现动态三维显示方面，全息技术具有非常大的潜力。传统的动态全息主要分为两类，分别为基于空间光调制器衍射的动态全息和基于特殊材料的动态全息。其中，基于空间光调制器的方法受限于空间光调制器本身，无法实现大尺寸的全息显示，并且由于零级光干扰导致衍射效率低下等问题。而基于材料的全息显示不仅受限于材料的显示尺寸、分辨率、衍射效率等因素，而且很难实现图像的快速刷新。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，包括起偏器、第一液晶层、偏振敏感金属纳米天线、第二液晶层、检偏器和接收屏，所述第一液晶层设置于偏振敏感金属纳米天线层上，所述偏振敏感金属纳米天线层设置于第二液晶层上，起偏器将光源的光转换为线偏光，线偏光通过第一液晶层后以偏振态出射，偏振光通过偏振敏感金属纳米天线层产生垂直入射偏振的散射光分量，偏振敏感金属纳米天线层的出射光依次经过第二液晶层和检偏器后生成带相位信息的偏振分量，筛选出的光最终到达接收屏，形成所需要的全息图像，所述第一液晶层和第二液晶层为90。扭曲向列型液晶。
进一步，还包括集成电路系统和计算机控制系统，所述集成电路系统的输出端分别与第一液晶层、第二液晶层连接，计算机控制系统通过集成电路系统有选择性地向第一液晶层、第二液晶层输入电压脉冲，使第一液晶层和第二液晶层对入射光的偏振态进行调制。
进一步，所述第一液晶层和第二液晶层的输入电压信号频率大于25Hz且小于50Hz。
进一步，所述偏振敏感金属纳米天线包括若干个金属纳米天线单元，每个金属纳米天线单元包括由上至下依次设置的金属纳米天线群、钛层和二氧化硅基底，所述金属纳米天线群包括若干个金属纳米天线。
进一步，所述金属纳米天线为棒形或V型或L型；当金属纳米天线为棒形时，金属纳米天线的长度为工作波长的二分之一，长轴与入射光偏振方向成45度夹角。
进一步，所述第一液晶层和第二液晶层为材料、厚度完全相同的90度扭曲向列型液晶。
进一步，通过集成电路系统和计算机控制系统向第一液晶层和第二液晶层施加电压的方式包括向第一液晶层施加第一电压、向第二液晶层施加第二电压或向第一液晶层施加第二电压、向第二液晶层施加第一电压。
进一步，在向第一液晶层施加第一电压时，第一液晶层改变入射光偏振态、出射光偏振态垂直于入射光偏振态，在向第一液晶层施加第二电压时，第一液晶层不改变入射光偏振态，出射光偏振态平行于入射光偏振态。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
本发明一种基于偏振敏感金属纳米天线的动态全息装置。该装置调制电压低，分辨率高，解决了传统动态全息中难以实现振幅相位单独调控无法快速刷新和大面积显示集成的缺点，具有很好的发展和应用潜力。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为偏振敏感金属纳米天线实现动态全息的原理框图；
图2为偏振敏感金属纳米天线实现动态全息的示意图；
图3为90°扭曲向列型液晶示意图，a为扭曲向列型液晶未加电示意图，b为扭曲向列型液晶加电后示意图；
图4为偏振敏感金属纳米天线的单元主视图；
图5为偏振敏感金属纳米天线的单元俯视图；
图6为偏振敏感金属纳米天线的单元立体图；
图7为偏振敏感金属纳米天线与液晶层组合的单元图，.a表示位相0单元，7.b表示位相二单元；
图8基于偏振敏感金属纳米天线位相调制单元的组合效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为偏振敏感金属纳米天线实现动态全息的原理框图；图2为偏振敏感金属纳米天线实现动态全息的示意图；图3为90°扭曲向列型液晶示意图，a为扭曲向列型液晶未加电示意图，b为扭曲向列型液晶加电后示意图；图4为偏振敏感金属纳米天线的单元主视图；图5为偏振敏感金属纳米天线的单元俯视图；图6为偏振敏感金属纳米天线的单元立体图；图7为偏振敏感金属纳米天线与液晶层组合的单元图，.a表示位相0单元，7.b表示位相二单元；图8基于偏振敏感金属纳米天线位相调制单元的组合效果图。
在图3中，1为入射光偏振态，2为出射光偏振态，3为透明电极，4为取向层，5为液晶分子取向；在图7中，6为入射光，7为出射光，8为液晶层，9为偏振敏感金属纳米天线；在图4中，10为金属纳米天线群，11为钛层，12为二氧化硅层。
如图1所示，一种基于偏振敏感金属纳米天线的动态全息装置，包括：包括起偏器、第一液晶层、偏振敏感金属纳米天线、第二液晶层、检偏器和接收屏，所述第一液晶层设置于偏振敏感金属纳米天线层上，所述偏振敏感金属纳米天线层设置于第二液晶层上，起偏器将光源的光转换为线偏光，线偏光通过第一液晶层后以偏振态出射，偏振光通过偏振敏感金属纳米天线层产生垂直入射偏振的散射光分量，偏振敏感金属纳米天线层的出射光依次经过第二液晶层和检偏器后生成带相位信息的偏振分量，筛选出的光最终到达接收屏，形成所需要的全息图像，所述第一液晶层和第二液晶层为90°扭曲向列型液晶。
作为对本实施例的改进，偏振敏感金属纳米天线的动态全息装置还包括集成电路系统和计算机控制系统，所述集成电路系统的输出端分别与第一液晶层、第二液晶层连接，计算机控制系统通过集成电路系统有选择性地向第一液晶层、第二液晶层输入电压脉冲，使第一液晶层和第二液晶层对入射光的偏振态进行调制。第一液晶层和第二液晶层的材料、厚度完全相同。
作为对本实施例的改进，所述第一液晶层和第二液晶层的输入电压信号频率大于25Hz且小于50Hz。
在本实施例中，通过集成电路系统和计算机控制系统向第一液晶层和第二液晶层施加电压，不同偏振态入射光是对第一液晶层加载不同电压，入射光经过第一液晶层被调制后的结果。其中全息图位相信息转换为电压分布加载于液晶单元之上。通过信号源的实时输入，第一液晶层上的位相信息实时变化。
由于在本发明中，偏振敏感金属纳米天线包括若干个金属纳米天线单元，每个金属纳米天线单元包括由上至下依次设置的金属纳米天线群、钛层和二氧化硅基底，所述金属纳米天线群包括若干个金属纳米天线。所述金属纳米天线为但并不限于棒形或V型或L型；只要金属纳米天线尺寸符合一定物理参数即可。需要注意的是，金属纳米天线为棒形时，金属纳米天线的长度为工作波长的二分之一，长宽比应尽可能大，长轴与入射光偏振方向成45度夹角，以保证激发最强散射光分量。金属天线具体参数可通过相关软件计算优化垂直偏振光出射效率得到。
对同一偏振敏感金属纳米天线，入射光偏振态旋转90度前后所激发的偏振散射光分量位相相差π，因此入射光旋转前后引入的位相可分别作为调制单元的两种独立相位状态。同时，激发的散射光分量偏振态与纳米金属天线表面的入射光偏振态之间相互垂直。
偏振敏感金属纳米天线由若干个金属纳米天线单元组成，各天线间携带不同相位信息的不同单元之间，散射光偏振方向互相垂直无法干涉，需要利用第二液晶层进行偏振再处理使得出射光偏振方向相同，同一偏振态出射光干涉后形成全息图像。
在本实施例中，通过集成电路系统和计算机控制系统向第一液晶层和第二液晶层施加电压的方式包括向第一液晶层施加第一电压、向第二液晶层施加第二电压或向第一液晶层施加第二电压、向第二液晶层施加第一电压；该方式使第一液晶层和第二液晶层对光的偏振调节作用恰好不同，保证了第一液晶层和第二液晶层的组合对初始入射光波引入的额外光程差为一定值。
在本实施例中，在向第一液晶层施加第一电压时，第一液晶层改变入射光偏振态、出射光偏振态垂直于入射光偏振态，在向第一液晶层施加第二电压时，第一液晶层不改变入射光偏振态，出射光偏振态平行于入射光偏振态。
第一液晶层和第二液晶层所加电压的两种组合方式，分别对应出射光携带相位信息0和相位信息π。经过检偏器的筛选，保证只有散射光部分出射，散射光之间相互干涉形成调制波前，最终生成目标全息图案。
一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息新方法，其实施过程如下：
波长为700nm光源出射光经过起偏器变为特定方向线偏振光，并垂直入射在第一液晶层与偏振敏感金属纳米天线的装置上，出射光经由偏振敏感金属纳米天线和第二液晶层调制，最后经过检偏器筛选后投影于接收屏，形成我们所需要的全息图像。计算机控制系统通过集成电路系统有选择性给予输入电压脉冲使液晶层对入射光的偏振态进行调制，如图2。
在本实施例中，接收屏为100英寸的电影屏，接收屏像素为1920*1080。基于偏振敏感金属纳米天线的装置阵列距接收屏10m。
在本实施例中，计算机控制系统与集成电路系统联合保证输入电压信号频率大于25HZ且小于50HZ，符合向列型液晶的响应时间，同时全息图播放帧频高于电影播放帧频标准，根据人眼视觉暂留效果，出射光所形成全息图对人眼连续。
在本实施例中，偏振敏感金属纳米天线层上下皆为液晶层。90“扭曲向列型液晶工作电压取决于液晶盒厚度和材料参数，因此液晶层宜选用高△n，低粘质系数的液晶。若采用E7液晶材料，当所加电压为0V时，液晶层对入射光偏振态无任何影响，如图3.a；当所加电压为5V时，液晶层将入射光偏振态旋转90度，如图3.b。
在本实施例中，偏振敏感金属纳米天线由7.8um*3.8um的小矩形单元拼接而成如图4、5、6。每个单元上金属纳米天线群以22*10的形式排列。
在本实施例中，金属纳米天线单元具有3层结构，从上至下依次为金属纳米天线群、钦层和二氧化硅基底。每个金纳米天线所在单元周期为350nm*350nm，金属纳米天线尺寸为350nm*80nm*30nm(长*宽*高)。钦层以及二氧化硅层厚度依次为10nm和130nm。
在本实施例中，液晶层与偏振敏感金属纳米天线组合形成位相调制单元，如图7.a和7.b。上下两液晶层保持不同加电状态，0位相单元不加电，π位相单元加5V电压。全息图位相分布信息以电压形式加载于液晶层上。
在本实施例中，所有金属纳米天线单元被分为4组，电信号加载完全相同的4组超表面以2*2形式排列。主要目的是利用达曼光栅原理在保持图像整体尺寸不变的前提下，增加像素点数，提高成像质量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：包括起偏器、第一液晶层、偏振敏感金属纳米天线、第二液晶层、检偏器和接收屏，所述第一液晶层设置于偏振敏感金属纳米天线层上，所述偏振敏感金属纳米天线层设置于第二液晶层上，起偏器将光源的光转换为线偏光，线偏光通过第一液晶层后以偏振态出射，偏振光通过偏振敏感金属纳米天线层产生垂直入射偏振的散射光分量，偏振敏感金属纳米天线层的出射光依次经过第二液晶层和检偏器后生成带相位信息的偏振分量，筛选出的光最终到达接收屏，形成所需要的全息图像，所述第一液晶层和第二液晶层为90。扭曲向列型液晶。
2.根据权利要求1所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：还包括集成电路系统和计算机控制系统，所述集成电路系统的输出端分别与第一液晶层、第二液晶层连接，计算机控制系统通过集成电路系统有选择性地向第一液晶层、第二液晶层输入电压脉冲，使第一液晶层和第二液晶层对入射光的偏振态进行调制。
3.根据权利要求2所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：所述第一液晶层和第二液晶层的输入电压信号频率大于25Hz且小于50Hz。
4.根据权利要求1所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：所述偏振敏感金属纳米天线包括若干个金属纳米天线单元，每个金属纳米天线单元包括由上至下依次设置的金属纳米天线群、钛层和二氧化硅基底，所述金属纳米天线群包括若干个金属纳米天线。
5.根据权利要求4所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：所述金属纳米天线为棒形或V型或L型；当金属纳米天线为棒形时，金属纳米天线的长度为工作波长的二分之一，长轴与入射光偏振方向成45度夹角。
6.根据权利要求1所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：所述第一液晶层和第二液晶层为材料、厚度完全相同的90度扭曲向列型液晶。
7.根据权利要求2所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：通过集成电路系统和计算机控制系统向第一液晶层和第二液晶层施加电压的方式包括向第一液晶层施加第一电压、向第二液晶层施加第二电压或向第一液晶层施加第二电压、向第二液晶层施加第一电压。
8.根据权利要求7所述的基于偏振敏感金属纳米天线的两相位动态全息装置，其特征在于：在向第一液晶层施加第一电压时，第一液晶层改变入射光偏振态、出射光偏振态垂直于入射光偏振态，在向第一液晶层施加第二电压时，第一液晶层不改变入射光偏振态，出射光偏振态平行于入射光偏振态。
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