CN108604637B - 控制电磁波的设备和装置及其形成和操作方法 - Google Patents

控制电磁波的设备和装置及其形成和操作方法 Download PDF

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Abstract

根据多个实施例，多个实施例可提供控制电磁波的设备。设备可包括介质。设备还可包括与介质接触且可被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列里的每个阵元可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转变成第二状态，从而改变相应阵元的光学特性，以控制电磁波。

Description

控制电磁波的设备和装置及其形成和操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月11日提交的新加坡申请No.10201600998W的优先权，其内容以引用的方式完整地纳入本申请。
技术领域
本公开的各个方面涉及控制电磁波的设备和/或装置。本公开的各个方面涉及形成控制电磁波的设备和/或装置的方法，和/或操作设备和/或装置以控制电磁波的方法。
背景技术
可重构设备是包含一个或多个部件的设备，这些部件可以被信号(电，光或其他性质)主动控制，以改变电磁波的振幅、相位和/或极化的波前控制的光学响应。可重构设备可包括空间光调制器(SLM)。简单的振幅控制设计的例子是包括微镜阵列的装置，微镜阵列能够旋转以在反射和不反射电磁波之间进行转换。图1A是基于微镜100a的微型机电系统(MEMS)的示意图。图1B是另一种基于微镜100b的微型机电系统(MEMS)的示意图。图1C为扫描电子显微镜(SEM)图像100c，显示了微镜的顶部平面视图。图1D为扫描电子显微镜(SEM)图像100d，显示了微镜的透视图。MEMS-SLMs可以工作于中和远红外线(IR)频率。然而，由于复杂的制造工艺，MEMS-SLMs很昂贵，具有比电磁波长更大的大像素大小，只能进行振幅和反射调制，并且有一个大约10μs的中等响应时间。
控制电磁波相位的例子是利用含有液晶(LC)的单元阵列来实现的。对每个单独的单元施加电压，以改变LC中包含的粒子的方向，从而改变LC的折射率。图2A为液晶显示器(LCD)200a的示意图。液晶显示器可为硅基液晶(LCoS)显示器或硅基铁电液晶(FLCoS)显示器。图2B是另一个液晶显示器(LCD)200b的示意图。图2C是液晶显示器(LCD)的扫描电子显微镜(SEM)图像200c。LCD可为硅基液晶(LCoS)显示器或硅基铁电液晶(FLCoS)显示器。通过改变LC的折射率，电磁波在每个单元中经历不同的光路，因此有不同的相移。LC-SLM可既便宜又可靠。然而，对于反射装置，由于折射率的变化，单元可能需要有足够的厚度，以使穿过单元的电磁波至少经历半个波长的偏移。或者，对于传输设备，由于折射率的变化，单元需要有至少能让电磁波有一个波长的偏移的厚度。另一个限制是一个像素相对较大的横向尺寸，可能是几个微米或几十微米，这可能会限制现有SLMs的分辨率。此外，LC-SLMS的操作光谱范围受LC透明度所限制，并且可能只能在可见光到近IR频率内操作。响应时间可能会不佳(约100-1000μs)。图2D为HamamatsuTM相空间光调制器(硅基液晶空间光调制器)的操作光谱范围的图表200d。
磁光空间光调制器(MO-SLMs)能具有在纳秒范围内的良好的响应时间，并且自旋传输扭矩(STT)类型能实现亚波长大小。然而，MO-SLM的光谱范围限于合适的MO材料的频率。此外，MO-SLM不是基于成熟的技术。
光电空间光调制器(EO-SLMs)能具有在纳秒范围内的良好的响应时间。然而，EO-SLMs的光谱范围限于合适的EO材料的频率。此外，EO-SLMs通常体积庞大。
声光空间光调制器(AO-SLMs)可工作于红外(IR)频率，具有大约100ns的中等到良好的响应时间，但需要更高的工作电压，而且通常体积较大。
发明内容
根据多个实施例，多个实施例可提供控制电磁波的设备。设备可包括介质。设备可进一步包括与介质接触的阵元阵列，并且设备可被配置为接收电磁波。阵元阵列的每个阵元可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元的光学特性以控制电磁波。
根据多个实施例，多个实施例可提供形成控制电磁波的设备的方法。方法可包括提供介质。方法还可以包括形成与介质接触且被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列的每个阵元可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元的光学特性以控制电磁波。
根据多个实施例，多个实施例可提供操作设备以控制电磁波的方法。方法可包括提供或引导电磁波到设备。设备可包括介质。设备还可包括与介质接触且被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列的每个阵元可包含一个相变材料。方法还可包括施加外部输入来将相变材料至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元的光学性质，以控制由阵元阵列接收的电磁波。
多个实施例可提供被配置为控制电磁波的装置。装置可包括设备。设备可包括介质。设备还可包括与介质接触且被配置为接收电磁波的阵元阵列。装置可额外包括被配置为向阵元阵列提供电磁波的电磁波源。阵元阵列的每个阵元可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元的光学特性以控制电磁波。
多个实施例可提供形成装置的方法。方法可以包括提供被配置为控制电磁波的设备。设备可包括介质。设备还可包括与介质接触且被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列的每个阵元可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元的光学特性以控制电磁波。方法可额外包括提供被配置为向阵元阵列提供电磁波的电磁波源。
多个实施例可提供操作装置来控制电磁波的方法。方法可包括提供被配置为控制电磁波的设备。设备可包括介质。设备还可包括与介质接触且被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列的每个阵元可包括相变材料。方法还可包括提供向设备提供电磁波的电磁源。方法可进一步包括施加外部输入来将相变材料至少从第一状态转换为第二状态，从而改变相应阵元的光学性质，以控制由所述阵元阵列接收的电磁波。
附图说明
当考虑将与非限定性实例和附图结合时，参考详细的描述，本发明将会被更好地理解，其中：
图1A为基于微镜100a的微型机电系统(MEMS)的示意图。
图1B是另一种基于微镜的微型机电系统(MEMS)的示意图。
图1C为扫描电子显微镜(SEM)图像，显示了微镜的顶部平面视图。
图1D是扫描电子显6微镜(SEM)图像，显示了微镜的透视图。
图2A为显示液晶显示器(LCD)的示意图。LCD可为硅基液晶(LCoS)显示器或硅基铁电液晶(FLCoS)显示器。
图2B是另一种液晶显示器(LCD)的示意图。
图2C是液晶显示器(LCD)的扫描电子显微镜(SEM)图像200c。
图2D为HamamatsuTM相空间光调制器(硅基液晶空间光调制器)的操作光谱范围的示意图200d。
图3为根据多个实施例控制电磁波的设备的示意图。
图4为根据多个实施例形成控制电磁波的设备的方法的示意图。
图5为根据多个实施例操作控制电磁波的设备的方法的示意图。
图6A为根据多个实施例设备的示意图。
图6B为根据多个实施例的示意图，其显示了响应于外部输入或刺激，阵元的材料相或状态的变化。
图6C显示了根据多个实施例设备的单个阵元，这些阵元通过外部输入的施加进行调整。
图6D为根据多个实施例示出引起依赖于位置的相移而导致聚焦的装置的示意图。
图7A为根据多个实施例示出入射到亚波长阵元上而导致散射电磁波的电磁波的示意图。
图7B是根据多个实施例作为波长(λ)的函数的反射率曲线图，其显示了因场-材料相互作用而导致共振波长的变化。
图7C显示了入射到金属粒子上而导致散射电磁波的电磁波。
图7D显示了根据多个实施例作为波长(λ)的函数的衰减曲线图，其显示了因场外介质相互作用而导致的共振波长周围的损失以及共振波长的变化。
图7E显示了通过折射率n和厚度L的常规薄膜传播的波长λ的电磁波。
图7F显示了根据多个实施例，波长λ的电磁波入射到亚波长阵元上，从而产生散射电磁波。
图7G是根据多个实施例作为波长(λ)的函数的衰减曲线图，其显示了阵元的电(ED)共振和磁(MD)共振。
图7H是根据多个实施例作为波长(λ)的函数的相位曲线图，其显示了可能由阵元的电(ED)共振和磁(MD)共振引起的相移。折射率大于2(n>2)的介电纳米粒子可以支持电(ED)共振和磁(MD)共振。
图7I是根据多个实施例电磁波入射到折射率大于2(n>2)的亚波长介电纳米粒子上而导致散射电磁波的示意图。
图7J为根据多个实施例随着波长(λ)函数的衰减图，其显示了电(ED)共振与磁(MD)共振的重叠。
图7K为根据多个实施例作为波长(λ)的函数的相位曲线图，其显示了在共振波长上2π弧度的相移。
图7L为根据多个实施例的示意图，其显示了电磁波入射到折射率大于2(n>2)的亚波长介电纳米粒子上，以及电(ED)共振和磁(MD)共振重叠，从而导致散射电磁波不出现反向散射。
图8A显示了作为波长(微米或μm)的函数的、穿过大气的辐射百分比(％)曲线图。
图8B显示了根据多个实施例作为波长的函数的、穿过大气的辐射百分比(％)曲线图，其显示了设备可能感兴趣的区域。
图9为根据多个实施例显示了设备的示意图。
图10A是根据多个实施例作为波长(纳米或nm)的函数的折射率(n)曲线图1000a，其显示了Ge2Sb2Te5(GST)的非晶相和结晶相的不同折射率。
图10B是根据多个实施例作为波长的函数的系数比(k)的曲线图，其显示了Ge2Sb2Te5(GST)的非晶相和结晶相的不同衰减系数。
图10C是根据多个实施例作为波长(纳米或nm)的函数的折射率曲线图1000c，其显示了Ge2Sb2Te5(GST)的非晶相和结晶相的折射指数的实部和虚部。
图11A显示了根据多个实施例得到的透射图1100a，其显示了作为半径(纳米或nm)和波长(微米或μm)的函数的所绘制的透射(从0到1)。
图11B显示了根据多个实施例的透射图，与图11A所示的透射图相似，但具有用虚线表示的两个共振。
图11C是根据多个实施例的透射图，与图11A所示的透射图相似，但显示了磁和电共振的交叉点。
图11D是根据多个实施例的透射图，与图11A所示的透射图相似，但显示交叉点发生在3120nm处。
图11E是根据多个实施例的相位图，显示了作为半径(纳米或nm)和波长(微米或μm)的函数的相移(从0弧度到2π弧度)。
图11F是根据多个实施例作为半径(纳米或nm)的函数所绘制的曲线图，其显示了由于设备在3120nm处引起的透射幅度和相移。
图12是根据多个实施例作为波长λ的函数的相移曲线图，其说明设备的设计过程。
图13A是根据多个实施例作为波长(微米或μm)的函数的透射曲线图，其显示了当阵元处于不同的结晶度时阵列的透射光谱。
图13B是根据多个实施例作为波长(微米或μm)的函数的相移曲线图，其显示了当阵元处于不同的结晶度时，阵列相移的变化。
图13C为根据多个实施例作为阵元阵列的结晶率(百分比或％)的函数的透射/相位曲线图，其显示了当阵元在不同结晶的不同程度时，电磁波穿过阵元阵列传输过程中的透射和相移的变化。
图14为根据多个实施例的示意图，其显示了用于设计阵元阵列以控制随后由阵列收到的电磁波的装置。
图15A是根据多个实施例说明在不同的结晶状态下具有单独的阵元或粒子的不同的阵列的示意图。
图15B为根据多个实施例模拟的透射图(作为波长函数绘制的不同衍射序列的透射值和透射值)，以及模拟的用于平面波垂直入射到图15A中的阵列上的远场辐射图。
具体实施方式
以下的详细描述涉及附图，通过本发明实施中的图示、具体细节和实施例进行展示。这些实施例被进行充分详细的说明使得本领域的技术人员能够实施本发明。在不背离本发明的范围的情况下，可以使用其他实施例，以及可以进行结构和逻辑上的改变。不同的实施例不一定是互斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其他实施例结合，以形成新的实施例。
在一种方法或设备/装置的上下文中描述的实施例类似地适用于其它方法或设备/装置。类似地，在方法中描述的实施例类似地适用于设备/装置，反之亦然。
在实施例的上下文中描述的特征可相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征。在实施例的上下文中描述的特征可相应地适用于其他实施例，即使在这些其他实施例中没有明确描述。此外，在实施例的上下文中所描述的特征的添加和/或组合和/或替代，可能相应地适用于其他实施例中的相同或类似特征。
关于沉积物质在侧面或表面“之上”形成中使用的“之上”一词，在此可以用来表示沉积物质可以“直接在隐含的侧面或表面之上”形成，比如与隐含的侧面或表面直接接触。关于沉积物质在侧面或表面“之上”形成中使用的“之上”一词，在此也可以用来表示沉积物质可以“间接地”在隐含的侧面或者表面上形成，其中有一或多层额外的层次处于隐含的侧面或者表面和沉积物质之间。换句话说，第一层在第二层“之上”可以表示第一层直接在第二层之上也可以表示第一层和第二层之间被一或多个夹层隔开。
此处描述的设备或装置可在不同的方向被操作，因此应该理解，“顶部”、“底部”等词，在以下描述中使用是为了使用时方便和帮助理解相对位置或方向,而不是为了限制设备或装置的方向。
在多个实施例的上下文中，关于特征或要素使用的冠词“一”、“一个”、“这个”包括对一个或者多个特征或者要素的引用。
在多种实施例的上下文中，应用于数值的术语“关于”或“近似”包含精确值和合理的偏差。
正如这里所使用的，词语“和/或”包含了一个或多个相关列出项的任意或所有组合。
图3是根据多个实施例说明控制电磁波的设备300的示意图。设备300可包括介质302。设备300可进一步包括与介质302相接触的阵元304a、304b等的阵列304，并可被配置为接收电磁波。阵元阵列304的每个阵元304a、304b等可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元304a、304b等的光学性质，以控制电磁波。
换句话说，设备300可包括介质302，介质302具有包含相变材料的阵元304a、304b等的阵元阵列304。当对相变材料施加外部刺激时，可重构材料可以至少从第一状态变为第二状态。当相变材料从第一状态变为第二状态时，相变材料的光学性质也可能发生变化。因此，外部刺激可施加于单个阵元，如阵元304a，以改变其光学性质。因此，阵列接收到的电磁波可以通过操纵单个阵元304a、304b等来控制或定向。
阵元304a、304b等可称为天线。每个阵元304a、304b等可以是亚波长阵元。换句话说，每个阵元可有一个或多个比电磁波波长小的尺寸。阵元304a、304b等也可称为粒子。在本文中使用的“粒子”一词可指任何形状的阵元。每个阵元304a、304b等可以是纳米结构，例如纳米盘或纳米级环，或任何其它合适的形状。
相变材料可以是可重构的材料，可重构材料可响应外界刺激而可逆地改变状态。“可重构”这一术语指的是具有响应外界刺激而产生很大变化的光学性质的材料。“不可重构”这一术语指的是具有不会响应外界刺激而发生变化或变化不大的光学性质的材料。
多个实施例可以解决传统设备所面临的问题。多个实施例可能比传统的设备有显著的优势。例如，多个实施例可能更紧凑，并且可能具有更小的占用空间。
一种减少设备的占用空间并实现更小的厚度或更好的空间分辨率的方法是利用共振亚波长光学阵元(天线)，共振亚波长光学阵元可以自然地提供相位积累，而不会引入额外的波的空间传播。天线的共振光谱位置和相关的相位积累取决于天线的几何形状和材料特性以及周围环境。因此，对这些所提及的参数的控制可以为控制共振特性提供一种方法。
目前，对天线的几何形状和组成材料的修改研究还很有限。有一些关于几何可调结构的研究。此外，还有其他关于材料性能修改的研究，主要是通过在半导体结构中注入电荷。这种方法在远红外(IR)光谱区可能特别成功。然而，只有在光学频率下瞬态电荷注入已经被证明了。也有关于在可重构环境中通过围绕阵元来调整天线提供的相位积累的报告。通过主动控制环境的光学特性(例如使用LC)，可以修改阵元的共振以及实现对与阵元相互作用的波的相位积累的主动控制。
相反，多个实施例可以基于共振阵元(天线)的光学特性。这种方法的优点可包括通过利用激发的共振和/或解决单个阵元状态的可能性来增加设备对所施加信号的响应，这在修改天线环境时是不容易实现的。
另一种与相位控制有关的方法是直接在可重构材料的连续膜上写入，以控制电磁波的振幅。该方法已广泛应用于数据存储的光学存储器中。通过以结构化的方式控制薄膜的一部分的材料相位，可以局部改变该部分的反射率。薄膜可根据反射率的变化用作光学数据存储。最近，基于介电到金属相变的方法也被用来写入用于波前控制的振幅掩膜，以及用来产生共振模式以产生按需传输和反射光谱。
目前，大多数基于与粒子(天线)相互作用而修改波前的设备都涉及到金属部件。原因是金属与电磁波的强相互作用(特别是在光学频率上)，以及金属限制和增强金属边界之外的电磁场的能力，这增强了电磁场与环境的相互作用。使用金属的一个缺点是相关的欧姆损耗，因为能量转换为热能，这可能会限制这些设备(特别是基于传输的设备)的效率。此外，转换的热量也可能损坏设备。
在多个实施例中，阵元或天线本身，而不是外部的介质，是可重构的。在多个实施例中，环境中可能不需要大的场浓度，并且也不需要使用金属。因此，可以避免或减少热量的损失，可以提高设备的效率。此外，多个实施例提供了利用电介质的独特特性的可能性，例如支持用于操纵波前的磁共振的可能性。最近有报道称，具有高折射率(>2)的亚波长介电粒子的光响应可以解释为电共振和磁共振的结合。当粒子具有适当的纵横比时，最低能量激发的电偶极子模式和磁偶极子模式可能发生频谱重叠，导致辐射干扰。特别是当共振具有相同的振幅和相位时，辐射方向图可能被反向抑制，并且这些粒子可能表现为惠更斯源。实验证明，这些粒子的亚衍射排列可以很好地传输传入的电磁波，但同时也可以改变电磁波的相位，从而在传输过程中产生有效的波前操纵。
目前，对于中-IR频率的可重构相位操纵，尚无令人满意的技术解决方案。由于大气透明度窗口的存在，这种频率范围在航空航天应用中可能很有价值，例如光探测和测距(激光雷达)，以及在遥感中根据其特有的红外-吸收光谱识别化学品。虽然在辐射源和探测器方面有了巨大的进步，但目前的中红外波前调制器仍然存在严重的缺陷，限制了其适用性。目前的调制器主要是基于微镜，微镜非常脆弱，只调节振幅，并且像素大小超过电磁波的波长，或者基于声光效应，声光效应需要高的工作电压且体积很大，或者基于量子限制斯塔克移动(即，对材料的吸收特性进行调制)，量子限制斯塔克移动需要相当复杂的材料，并且由于材料中相关的吸收，对相位调制提供了较差的解决方案。
多个实施例可以结合高折射率电介质的上述特性，作为理想的惠更斯源，并通过材料相位操纵来控制光学性质，从而提供解决方案。多个实施例还可以在传输中进行操作。
在多个实施例中，介质302可以是基底。在多个实施例中，阵元304a、304b等的阵列304可以位于基底302之上。在多个其他实施例中，介质302可能是覆盖物。在多个实施例中，阵元304a、304b等的阵列304可以被嵌入在覆盖物302中或至少被覆盖物302部分覆盖。
介质302可包括电介质。与相变材料相比，电介质的折射率可能较低。介质302可以是不可重构的。
在多个实施例中，介质302可以是基底，并且设备300还可进一步包括覆盖在阵元304a、304b等的阵列304之上的覆盖层。所述覆盖层是不可重构的。
外部输入可以是电信号、热信号或光信号。
在多个实施例中，第一状态可以是非晶相，第二状态可以是结晶相或者可以是至少部分结晶相。
在当前上下文中，相变材料可以指的是被配置为在施加外部输入时，在材料相或状态发生变化的任何材料。换句话说，相变材料在其被施加外部输入时，可能从第一材料相或状态变为第二材料相或状态。
在多个实施例中，相变材料可被配置为响应外部输入而在第一状态、第二状态和附加状态之间转换。例如，相变材料可被配置为响应进一步的外部输入，从第二种状态转换到第三种状态，从而进一步改变相应阵元304a、304b等的光学性质。在这种情况下，第一种状态可以是非晶相，第二种状态可以是中间相，以及第三种状态可以是结晶相。然而，在多个实施例中，相变材料不限于三种状态。相变材料可被配置为响应附加的外部输入或多个附加的外部输入而转换到附加状态或多个附加状态。
阵元304a、304b等的阵列304可以是周期性的和/或有序的阵列。阵列304可以是二维阵列。阵元304a、304b等可以在任何布拉维晶格中进行排列，比如普通的方晶格。
在多个实施例中，电磁波可能是一种红外(IR)光。电磁波在中红外波段可能有波长。电磁波可具有在大约3μm到大约40μm的范围中的任意值的波长，例如大约3μm到大约5μm左右。另外，电磁波可能在近红外波长范围内具有波长,如大约700nm到大约2.5μm。在多个其他实施例中，电磁波可以是可见光。
在多个实施例中，阵元304a，304b等的阵列304中的相邻阵元304a，304b等之间的周期可以小于电磁波的波长。在多个实施例中，阵元304a，304b等的阵列304中的相邻阵元304a，304b等之间的周期可能低于5μm或低于2μm。
在多个实施例中，控制电磁波可包括调整电磁波的散射。
在多个实施例中，电磁波可以通过改变或调整从相位、振幅和极化组成的组中选择的电磁波的至少一种性质来控制。
相应阵元304a、304b等的光学特性可以是相应阵元304a、304b等的折射率。
相变材料可以为硫族化合物材料。相变材料可以是Ge2Sb2Tb5(GST)。
在多个实施例中，可提供装置。装置可包括被配置为控制电磁波的装置300，如本文所述。装置还可以包括电磁波源，电磁波源被配置为向阵元304a、304b等的阵列304提供电磁波。阵元304a、304b等的阵列304中的每个阵元304a、304b等可包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元304a、304b等的光学特性以控制电磁波。
装置还可包括刺激源，刺激源被配置为提供或生成外部输入。装置还可包括引导机构，引导机构被配置为将外部输入引导至单个阵元304a、304b等，以改变单个阵元304a、304b等的光学特性。
在多个实施例中，刺激源可是被配置为产生激光束的激光源。换句话说，外部输入可是激光束。装置可会进一步包括被配置为发射激光束的激光源。装置还可包括空间光调制器，空间光调制器被配置为将激光束指向相应的阵元304a、304b等，以改变相应阵元304a、304b等的光学特性。
在多个其他实施例中，刺激源可以为被配置为产生热量的加热器。外部输入可以是产生的热量。装置可包括热导体，热导体被配置为向每个阵元304a、304b等传导产生的热量，以改变相的阵元304a、304b等的光学性质。
在多个其他实施例中，刺激源可以是被配置为提供电流或电压的电源。外部输入可是电流或电压。装置可包括导电体，例如电极或导电线，导电体被配置为将电流或电压传导至每个阵元304a、304b等，以改变相应阵元304a、304b等的光学性质。
图4为根据多个实施例形成控制电磁波的设备的方法的示意图。方法可包括，在402中，提供介质。方法还可以包括，在404中，形成与介质接触并被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列的每个阵元可以包括相变材料，相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换为第二状态，从而改变相应阵元的光学特性，以控制电磁波。
换句话说，可以提供形成本文所述的设备的方法。方法可包括形成阵元以形成与介质接触的阵列。
在多个实施例中，介质可以是基底或覆盖物。
在多个实施例中，介质可以是基底，并且方法还可以包括形成覆盖层以覆盖阵元阵列。
多个实施例还可提供形成装置的方法。方法可包括提供或形成如本文所述的设备，设备被配置为控制电磁波。方法还可包括提供被配置为向阵元阵列提供电磁波的电磁波源。
方法还可包括形成或提供刺激源。
图5是根据多个实施例说明操作设备以控制电磁波的方法的示意图500。方法可包括，在502中，提供或引导电磁波到设备。设备可包括介质。设备还可包括与介质接触并被配置为接收电磁波的阵元阵列。阵元阵列的每个阵元可包括相变材料。方法还可以包括，在504中，施加外部输入以将相变材料至少从第一状态转换为第二状态，从而改变相应阵元的光学性质，以控制阵元阵列接收到的电磁波。
电磁波可以通过将电磁波的相位从0弧度调整到2π弧度来控制。
多个实施例还可以提供操作装置以控制电磁波的方法。方法可包括提供被配置为如本文所述控制电磁波的设备。方法还包括提供电磁源以向设备提供电磁波。方法还可包括施加外部输入以将相变材料至少从第一状态转换为第二状态，从而改变相应阵元的光学性质，以控制由阵元阵列接收的电磁波。
图6A是根据多个实施例说明设备600的示意图。装置600可包括阵元(或称为粒子)604a-h的常规阵列或装置604，其在不可重构的低折射率介质基片602之上。设备600还可包括覆盖阵元604a-h的阵列604的低折射率覆盖层或覆盖物606。阵元604a-h可包括材料，以使材料的材料相或状态可以通过施加外部输入或信号来控制。外部输入或信号可以是电的、热的和/或光的。由于外部输入或信号的施加，材料可能会经历光学性质(例如折射率)的变化。
不同的阵元604a-h的材料相或状态可以被集体或单独操纵。阵元604a-h的光学性质可以通过操纵阵元604a-h的材料相或状态来改变，从而改变电磁响应。阵元604a-h可被设计或配置为在或接近(在预定的范围内)特定频率或频率范围共振，在该特定频率或频率范围需要波前操纵(预定的范围可能指当阵元604a-h被转换时共振所经历的偏移)，并且波前操纵可以被设计或配置以使阵元604a-h的材料相或状态发生变化，例如包括GST，可以提供电磁波的变化，例如相位、振幅和/或极化的变化。预设的范围可能约为±100纳米的特定频率或频率范围内。
图6B是根据多个实施例的示意图，其显示了响应于外部输入或刺激，阵元的材料相或状态的变化。如图6B所示，阵元604a最初可为处于状态A中。在施加第一外部输入或刺激(可选地称为信号)时，阵元604a可从状态A改变到状态B。在施加第二外部输入或刺激时，阵元604a可从状态B改变到状态C。
在多个实施例中，阵元604a-h可以是这样的：在感兴趣的状态的至少一个状态下，材料可以是非金属的，即，材料的复折射率的实部大于虚部。折射率的虚部(Im(n))可能是小的，如<1或<0.1，或<0.01或<0.001，折射率的实部(Re(n))可能是大的，如>2。折射率虚部的值可以决定设备600的实际损耗。Im(n)越小，设备600的损耗越小。包括材料的阵元604a-h可以支持波长大于每个阵元604a-h物理尺寸的电共振和/或磁共振。换句话说，多个阵元604a-h中每一个阵元的尺寸可能小于电磁波的波长。在这种情况下，对阵元604a-h材料相的操纵可能导致阵列604的共振特性发生变化，从而导致散射电磁波的振幅、极化和/或相位发生变化。
图6C显示了根据多个实施例施加外部输入调整设备600的单个阵元604a-h。例如，如图6C所示，阵元604a、604b、604g、604h可以从第一状态变为第二状态，而阵元604c-f可以保持第一状态。因此可产生不同的散射场分布。因此，反射电磁波的波前和/或发射电磁波的波前可以被操纵。多个实施例可用于聚焦。图6D是根据多个实施例显示设备600的示意图，设备600引起依赖于位置的相移，进而导致聚焦。
使用共振可以有两种效果：(i)引入电磁波的相位和/或振幅的变化，而不需要更长的物理光路；以及(ii)增强由于强场-材料相互作用而引起的材料性质的任何变化的影响。图7A是根据多个实施例的示意图，其显示了电磁波702a入射到亚波长阵元704上，导致散射电磁波702b。图7B是根据多个实施例作为波长(λ)的函数的反射率曲线图710，其显示了因场-材料相互作用而导致共振波长的变化。多个实施例可不需要使用金属而在共振天线中使用可调相变材料，从而减少损耗。这与以前用金属“从粒子中取出磁场”来增强与环境的相互作用的方法形成了对比。图7C显示了入射到金属粒子714上的电磁波712a，从而产生散射电磁波712b。图7D显示了根据多个实施例作为波长(λ)的函数的衰减曲线图720，其显示了因场外介质相互作用而导致的共振波长周围的损失以及共振波长的变化。
这两种效果都可能促进设备小型化的可能性。图7E显示了波长λ的电磁波722通过折射率n和厚度L的常规薄膜724传播。相位Δφ的变化可以提供如下：
Figure GDA0004003748860000161
大的厚度L可能被要求在相位π引起所需要的改变。图7F显示了根据多个实施例，波长λ的电磁波732a入射到亚波长阵元734上，从而产生散射电磁波732b。由于阵元的尺寸比电磁波的波长λ要小得多，相位Δφ的变化可以提供如下：
Δφ＝π                                                  (2)
相变材料可允许设计共振阵元或粒子，使这些阵元或粒子表现为完美的惠更斯源，并允许在传输过程中进行2π弧度相位控制。图7G是根据多个实施例作为波长(λ)的函数的衰减曲线图740，其显示了阵元的电(ED)共振和的磁(MD)共振。图7H是根据多个实施例作为波长(λ)的函数的相位曲线图750，其显示了可能由阵元的电(ED)共振和磁(MD)共振引起的相移。折射率大于2(n>2)的介电纳米粒子可以支持ED和MD。图7I是根据多个实施例的示意图，其显示了电磁波752a入射到折射率大于2(n>2)的亚波长介电纳米粒子754上而导致散射电磁波752b。
通过改变阵元或粒子的纵横比，电(ED)共振和磁(MD)共振可以在光谱上相互重叠，并且可能导致不会产生反向散射/反射。图7J为根据多个实施例作为波长(λ)的函数的衰减曲线图760，其显示了电(ED)共振与磁(MD)共振的重叠。图7K为根据多个实施例作为波长(λ)的函数的相位曲线图770，其显示了在共振波长上2π弧度的相移。图7L为根据多个实施例的示意图，其显示了电磁波772a入射到折射率大于2(n>2)的亚波长介电纳米粒子774上，以及电(ED)共振和磁(MD)共振重叠，从而导致散射电磁波772b不出现反向散射。
在多个实施例中，阵元阵列可以是Ge2Sb2Te5(GST)共振纳米盘的常规阵列，Ge2Sb2Te5(GST)共振纳米盘可用于中红外(IR)频率范围内的可重构波前操作。图8A显示了作为波长(微米或μm)的函数的、穿过大气的辐射百分比(％)曲线图800a。图8B显示了根据多个实施例作为波长的函数的、穿过大气的辐射百分比(％)曲线图800b，其显示了设备可能感兴趣的区域。GST共振纳米盘阵列可被配置为目标在3μm到5μm范围内的波长，这可能不容易被环境吸收。例如，利用中红外(IR)范围的设备可能使飞行员能够看穿强烈散射的光学介质，如雾、烟雾和灰尘。对于航空航天应用如LIDAR、热位置等，以及安全、健康和环境应用，例如通过IR吸收光谱的化学品的指纹识别，人们有很大的兴趣。
通过引入可控制的相移，可以在传输(总传输值超过50％)中实现入射波的波前操作。特定的相移可以由阵列中的每一个单独的阵元来局部引导，也可以由单个阵元的材料相决定。可以选择GST，因为它允许在亚微秒的时间尺度下，通过激光照射(这会导致粒子结晶度的变化)来操纵材料相，并可能满足光学性能(高折射率和低损耗)的要求。GST是一种广泛使用的光学数据存储材料，由于作为其材料相态的函数的光学性质(折射率)的突然变化，它可能从完全非晶态到完全结晶。
图9为根据多个实施例显示了设备900的示意图。设备900可包括折射率约为1.45的介质基底902，介质基底902上的纳米盘阵列904，以及覆盖纳米盘阵列904的覆盖层904。为了清晰起见，单个纳米盘没有在图9中标记。图10A是根据多个实施例作为波长(纳米或nm)的函数的折射率(n)曲线图1000a，其显示了Ge2Sb2Te5(GST)的非晶相和结晶相的不同折射率。图10B是根据多个实施例作为波长的函数的系数比(k)的曲线图1000b，其显示了Ge2Sb2Te5(GST)的非晶相和结晶相的不同衰减系数。图10C是根据多个实施例作为波长(纳米或nm)的函数的折射率曲线图1000c，其显示了Ge2Sb2Te5(GST)的非晶相和结晶相的折射指数的实部和虚部。1002a表示Ge2Sb2Te5(GST)处于非晶相时折射率的实部，以及1002b表示Ge2Sb2Te5(GST)处于非晶相时折射率的虚部。1004a表示Ge2Sb2Te5(GST)处于结晶相时折射率的实部，1004b表示Ge2Sb2Te5(GST)处于结晶相时折射率的虚部。
每个纳米盘可是直径为990nm且高度为500nm的圆柱体，圆柱体排列在周期为1.99μm的正方形的晶格中。对于不同的粒子形状，如平行六面体、棱镜、椭球体等，以及不同的排列(六角形、蜂窝状、三角形等)，也可以得到类似的结果。这些阵元的特定尺寸可以被确定，因此通常当阵元组成的GST处于非晶相时，在大约3.1μm波长的入射波可以同时激发电和磁偶极子共振。被引起的电偶极子和磁偶极子可能具有相似的振幅和相位。在这些条件下，阵列中每个粒子的散射可能被抑制在反向方向(作为惠更斯的二次源)，导致设备900的反射被抑制以及，在没有吸收的情况下，接近统一的传输。
由于这些阵元与入射电磁波(双重)共振，这些阵元可能在电磁波中引起相位延迟。一般来说，共振引起的相移值取决于与入射波波长有关的共振的精确光谱位置。另一方面，系统中激发共振的光谱位置可能取决于阵元材料的折射率和阵列的几何形状。因此，对于阵列的固定几何形状，阵元的材料性质的连续变化可以在引起相移的变化中进行转换。通过缩放或调整所涉及的不同尺寸(阵元的高度、半径和/或阵元间的晶格周期)，改变共振的初始位置以及，从而改变在工作波长(在初始材料相态的相移)的设备特性可以是可能的。
当纳米盘中GST的材料相态由完全非晶相(初始材料相态)转变为具有不同结晶度的材料相态时，装置900可以被配置为提供电磁波的不同相移。设备900可以这种方式设计，通过改变纳米盘中包括的GST的材料相态，可以对整个2π弧度进行相移。为了实现这一点，设备900可以被设计成支持两个重叠共振。
通过基于时域有限差分(FDTD，Lumerical Solutions)的全数值模拟，已经论证了根据一个实施例用于可重构波前操纵的、基于GST纳米盘的设备性能。通过椭偏测量法测定了非晶相和结晶相中GST的折射率的值。基于有效介质模型(Chen等，“Hybrid phase-change plasmonic crystals for active tuning of lattice resonances”，光学快讯2113691,2013)，得到了不同结晶度的折射率。
作为第一步，初始材料相态可是固定的。初始材料相可以是非晶相，因为非晶相在期望的波长下可几乎没有耗散(Im(n)<0.001)，并且折射率的高实部Re(n)>3.5。阵列的几何形状也可以是固定的。
目标是将共振的重叠部分与所需的操作波长相接近，在演示中大约是3.1μm。为了在光谱上定位在纳米盘上引起的共振，可研究在垂直入射下的反射和透射曲线。透射的下降或反射的峰值可能与共振相对应，也可能是通过反射波或透射波的相位快速变化来识别。
相移的整个2π弧度范围可能需要有完全控制电磁波的相移的程度。当每个共振可“自然地”引起π弧度的最大相移时，为了引起2π弧度的相移，可能会激发一个以上的共振。
为了保持高透射值，电偶极子共振和磁偶极子共振可以被重叠。粒子的纵横比可以调谐，使电偶极子共振和磁偶极子共振重叠。粒子间的间隙，即相邻阵元之间的距离，可以固定在1μm以避免强烈的粒子间的相互作用，以及避免在所需工作波长的衍射(即阵列的周期应该小于外部介质的波长)。可以使用正方形的晶格。为了确定合适的纵横比以使共振重叠，可以将纳米盘的半径扫到500nm的固定高度(H)并且可以研究得到的透射光谱。
图11A显示了根据多个实施例得到的透射图1100a，其显示了作为半径(纳米或nm)和波长(微米或μm)的函数的所绘制的透射(从0到1)。透射是无量纲的量。透射的值可以从0到1变化，0代表零透射，即0％透射，1代表完美透射，即100％透射。两个共振可能是由透射消失的两个下降所指示的。图11B显示了根据多个实施例的透射图1100b，与图11A所示的透射图相似，但具有用虚线表示的两个共振。
图11C所示的根据多个实施例透射图1100c，与图11A所示的透射图相似，但显示了磁和电共振的交叉点。在图1100c中交叉点由虚线圆表示。在交叉点上，在粒子中引起的磁偶极子可能具有样本振幅和与粒子中引起的电偶极子相同的相位，以及因此透射变成接近于1。
图11D所示的根据多个实施例的透射图1100d，与图11A所示的透射图相似，但显示交叉点发生在3120nm处。图11E是根据多个实施例的相位图1100e，显示了作为半径(纳米或nm)和波长(微米或μm)的函数的相移(从0弧度到2π弧度)。图11F是根据多个实施例作为半径(纳米或nm)的函数所绘制的曲线图1100f，其显示了由于设备在3120nm处引起的透射幅度和相移。
在交叉点，粒子可能表现为理想的惠更斯源并且反射可能被抑制，从而导致几乎完美的透射。两种共振在粒子中仍然很活跃，如图11E所绘制的相移图1100e中所观察到的2π相移所证明(在图1100e上的虚线圆圈表示的是交叉点)。波长可以固定在共振重叠的波长上，也就是λ＝3.12μm，以覆盖2π相位范围并通过改变粒子的大小来达到波前的完全控制，如图11所示。然而，这可能导致不可重构的设备。
可重构的设备可以通过使用可更改的属性来实现。就相变材料来说，相变可以提供设备的光学响应。该设备的设计方式可是，材料相位的变化允许对2π弧度的范围进行探索/调整，而不需要牺牲高水平的透射。
透射图和相位图可以用于其他物质相态，如结晶状态。可以比较不同材料相态的透射和相位图，以及可以选择图中的点(即在选定的波长和选定的半径上)，以覆盖整个相位范围并保持高透射水平。一旦选定了点，就有可能通过重新缩放系统的几何形状来调整这个点到任何其他波长，同时保持粒子相同的纵横比。
如果在不同相的材料的折射率是已知的，如在GST中，设备可以被设计考虑到，当粒子的折射率增加时，电和磁偶极子共振可能会发生红移。相反，当粒子的折射率降低时，共振可能会发生蓝移。在多个实施例中，初始材料状态(非晶态)的折射率可能低于最终材料状态(晶体)。因此，在结晶过程中共振可能会发生红移。
图12是根据多个实施例作为波长λ的函数的相移曲线图，其说明设备的设计过程。可以选择粒子的半径，使在初始材料相态下，共振发生在少于期望的工作波长(λwork)但与工作波长足够接近的波长(λres)，以便于当折射率增加且共振频率红移时，共振波长λres“行”于λwork，导致在λwork电磁波的相移。
作为一个例子，选择感兴趣的特定波长，即＝3.25μm。在这个波长上，阵元的对应选择半径(R)是495纳米。对于这个半径，共振发生在波长λ＝3.1μm左右，即，波长比工作波长短。
图13A是根据多个实施例作为波长(微米或μm)的函数的透射曲线图1300a，其显示了当阵元处于不同的结晶度时阵列的透射光谱。图13B是根据多个实施例作为波长(微米或μm)的函数的相移曲线图1300b，其显示了当阵元处于不同的结晶度时，阵列相移的变化。图13A和13B所示的不同的结晶度的步长是10％。从图13B中可以看出随着结晶的增加，共振红移。
随着结晶部分的增加，以及相关折射率的增加，电磁波可能会经历相移。它可能会通过改变阵元的材料相态来产生扩展在整个2π弧度范围内的相移，同时保持平均透射预定频率范围内接近60％。
图13C为根据多个实施例作为阵元阵列的结晶率(百分比或％)的函数的透射/相位曲线图1300c，其显示了当阵元在不同结晶的不同程度时，电磁波穿过阵元阵列传输过程中的透射和相移的变化。电磁波的波长λ可能在3.25μm。
GST的结晶程度可以通过，例如，用给定波长、持续时间和重复频率的激光照射材料来控制。这个过程可能是可逆的，即，它可以在两个方向上发生，以及可以多次发生而不会对设备或阵元造成损害。在结晶过程中涉及的典型时间尺度可能只有几纳秒，因此允许设备的快速重构。因此，可以通过改变单个粒子的结晶状态来实现具有GST的可重构波前。通过辅助空间光调制器用可见光或近红外光照射单个粒子，可以改变其结晶状态。图14为根据多个实施例的示意图，其显示了用于设计阵元阵列1404以控制随后由阵列1404收到的电磁波的装置。从激光源1408发射的激光束可以通过空间光调制器1410定向到阵列1404的单个阵元，以引起相应阵元的结晶变化。不同阵元的结晶过程可有不同程度的变化。通过辐照结晶/融化的时间可能在纳秒的范围内。激光束可以是可见光激光。
因此，可以控制波通过可重构阵列1404的传播方向。阵列1404可能包括高度(H)约为500纳米且半径(R)约为495纳米的圆柱形GST粒子，这些粒子排列在一个普通的方形晶格中，最小的边距约为1μm。
图15A是根据多个实施例说明在不同的结晶状态下具有单独的阵元或粒子的不同的阵列的示意图。不同的结晶状态下的不同粒子用不同的纹线表示。
每个阵列1504a-c的基本单元格可以用方框表示。阵列1504a-c可以由在每个阵列1504a-c中重复的基本单元格组成。单位单元也可以称为超晶胞。整个2π相移可被映射到每个超晶胞内具有不同结晶状态的阵元或粒子。由于不同阵列1504a-c中的单位单元有不同数量的阵元或粒子，并且因此不同阵列1504a-c中的单位单元可能具有不同的总长度，因此弯曲角度可能不同。广义斯涅耳定律如下：
Figure GDA0004003748860000221
其中θ是弯曲角度，φ表示由阵元或粒子引起的相移，x是位置，n是外部介质的折射率以及λ是波长。此外，在目前情况下：
Figure GDA0004003748860000222
其中N表示超晶胞中的阵元或粒子数的个数，以及P为晶格周期。阵列1504a可能会产生约8度的弯曲角度，阵列1504b可能会产生约12度的弯曲角度，以及阵列1504c可能会产生约16度的弯曲角度。
图15B为根据多个实施例模拟的透射图1506a-c(作为波长函数绘制的不同衍射序列的透射值和透射值)，以及模拟的用于平面波垂直入射到图15A中的阵列上的远场辐射图1508a-c。曲线图1506a和图1508a涉及阵列1504a，曲线图1506b和图1508b涉及阵列1504b，而曲线图1506c和图1508c涉及阵列1504c。总透射率在1506a-c中由带实心圆的曲线表示。带有空心三角形的曲线表示直接沿垂直方向通过阵列1504a-c的透射。换句话说，这些曲线代表以不受影响的方式通过阵列1504a-c并且不弯曲的传输。用实心方形表示的曲线表示在期望的角度上弯曲的传输，而虚线表示在镜像到期望的角度上弯曲的传输。例如，对于曲线图1506a，用实心正方形表示的曲线表示在8°的角度上传输弯曲，而虚线曲线表示的是在-8°的角度上的传输弯曲，并且总传输(用带有实心圆的曲线表示)与用带有空心三角形的曲线、带有实心正方形的曲线所表示的传输之和、以及用虚线表示曲线的差值，表示在较大角度(即高阶)处传输弯曲。结果表明，对于阵列1504a，总能量的40％以上入射到阵列1504a上，可以有效地弯曲成所希望的角度。对于阵列1504b、1504c的情况，效率约为20％。这表明，通过改变或访问单个阵元或粒子的单个结晶状态，可以改变通过阵元或粒子阵列传播的波所经历的弯曲角度。图1508a-c所示的弯曲角度与预测值吻合良好。
图15A和图15B表明，根据多个实施例，基于电和磁共振可以使用GST纳米粒子的方形排列1504a-c有效地弯曲通过设备传输的电磁波。可以采用类似的方法来生成可重构的多步全息图、涡旋光束发生器等。随着中红外辐射源/探测器的最新进展，这种功能会非常有用，因为它可能为调制提供必要的解决方案。
综上所述，多个实施例可以在光频率上提供波前调制/操作。多个实施例可以基于由可重构材料制成的亚波长共振粒子阵列，其可作为可重构天线。每个粒子可以通过材料的相位修正来单独重构，并且可以提供对波前的亚波长控制。一个特殊的例子可能是基于Ge2Sb2Te5纳米盘。这个例子表明，在频率的中红外范围内实现亚波长分辨率的全相位控制是可能的。
多个实施例可以提供调制电磁波的低损耗解决方案。多个实施例允许在传输中操作。使用介电相变材料可以减少欧姆损失，并可使阵元被用作共振的完美惠更斯源。
多个实施例可用于中红外电磁波的相位调制。多个实施例可以为大气窗口中此类波长的相位调制提供一种可行的解决方案，该方案可在航空航天工业和军事应用中得到应用。
多个实施例可能涉及可通过熟悉的制造技术轻松制造的设备。多个实施例可能涉及使用材料阶段容易控制的设备。多个实施例可能涉及GST，对于GST，由于其在光学存储器中的广泛应用，制造技术和材料相相对比较熟悉。
与使用金属的设备相比，多个实施例可能具有更高的速度和更低的损耗。例如，GST的结晶时间短，损耗低。
虽然本发明已特别展示并描述了具体实施方式，但技术人员应该理解，在不违背本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，而不违反本发明所附权利要求所定义的范围。因此，本发明的范围可以通过附加的权利要求书来说明，因此，在权利要求书的同等含义和范围内的所有变化都将被纳入其中。

Claims (14)

1.一种装置，包括：
被配置为控制电磁波的设备，所述电磁波具有中红外范围的波长，所述设备包括：
介质，所述介质包括电介质；和
阵元阵列，所述阵元阵列与介质相接触且被配置为接收电磁波；和
被配置为向所述阵元阵列提供所述电磁波的电磁波源；
其中，所述阵元阵列中的每个阵元是纳米级环，且每个阵元由相变材料组成，所述相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换为第二状态，从而改变相应阵元的光学性质，以控制所述电磁波；
其中，所述阵元阵列的每个阵元在电磁波波长处是共振的；和
其中，所述第一状态为非晶相，以及所述第二状态为至少部分结晶的相。
2.如权利要求1所述的装置，
其中，所述介质是基底或者是覆盖物。
3.如权利要求1所述的装置，
其中，所述外部输入是电信号、热信号或光信号。
4.如权利要求1所述的装置，
其中，所述相变材料被配置为响应进一步的外部输入而从所述第二状态转换到第三状态，从而进一步改变相应阵元的光学性质。
5.如权利要求4所述的装置，
其中，所述第三状态为结晶相。
6.如权利要求1所述的装置，
其中，所述阵元阵列是周期性阵列。
7.如权利要求1所述的装置，
其中，控制所述电磁波包括调整所述电磁波的散射。
8.如权利要求1所述的装置，
其中，所述电磁波通过从相位、振幅和极化组成的组中选择所述电磁波的至少一种性质来改变而被控制。
9.如权利要求1所述的装置，
其中，相应阵元的所述光学性质为所述相应阵元的折射率。
10.如权利要求1所述的装置，
其中，所述相变材料为Ge2Sb2Te5。
11.如权利要求1所述的装置，
其中，所述外部输入为激光束；和
其中，所述装置还包括：
被配置为发射所述激光束的激光源；和
被配置将所述激光束指向相应阵元的空间光调制器，以改变相应阵元的光学性质。
12.一种形成装置的方法，所述方法包括：
提供被配置为控制电磁波的设备，所述电磁波具有中红外范围的波长，所述设备包括：
介质，所述介质包括电介质；和
与所述介质接触且被配置为接收所述电磁波的阵元阵列；其中，所述阵元阵列的每个阵元是纳米级环，且每个阵元由相变材料组成，所述相变材料被配置为响应外部输入而至少从第一状态转换到第二状态，从而改变相应阵元的光学特性以控制所述电磁波；和
其中，所述第一状态为非晶相，以及所述第二状态为至少部分结晶的相；
提供被配置为向所述阵元阵列提供所述电磁波的电磁波源。
13.一种操作装置以控制电磁波的方法，所述方法包括：
提供被配置为控制电磁波的设备，所述电磁波具有中红外范围的波长，所述设备包括:
介质，所述介质包括电介质；和
与所述介质接触且被配置为接收所述电磁波的阵元阵列，所述阵元阵列中的每个阵元是纳米级环，且每个阵元由相变材料组成；
提供电磁波源以为所述设备提供所述电磁波；和
施加外部输入以将所述相变材料从第一状态转换为第二状态，
从而改变相应阵元的光学性质，以控制所述阵元阵列接收到的所述电磁波；
其中，所述阵元阵列的每个阵元在电磁波波长处是共振的，和其中，所述第一状态为非晶相，以及所述第二状态为至少部分结晶的相。
14.如权利要求13所述的方法，
其中，所述电磁波是通过将所述电磁波的相位在0弧度到2π弧度间调整来控制的。
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