CN108873555A - 一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法。主要包括如下步骤:步骤(1).在波长为1200nm~1500nm的近红外工作带宽内,根据超表面结构对电磁波的异常响应机制,通过对超表面结构的设计,找出一种具有高极化转化率的超表面结构;步骤(2).根据透镜聚焦原理,将超表面结构排布于充满液晶的电极间;步骤(3).改变电极间的电压,使超表面结构随着液晶旋转,以此来改变超表面提供的相位,从而实现变焦功能。本发明通过介质超表面结构与液晶相结合,实现变焦透镜的功能,突破了传统超表面器件功能单一、不可调谐等缺点,使超表面器件具有动态可调的特性,在实际应用中具有广阔的前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,属于微纳光学及光学芯片集成领域。
(二)背景技术
近年来,基于超表面设计的透镜引起了人们的广泛关注,相比于传统光学元件,其并非由光在介质中传输时通过光程的累积来改变传输光波前的相位分布,而是利用所设计亚波长单元结构对电磁波的异常响应特性,对不同结构参数单元以一定规则排列,从而实现对电磁波振幅和相位的灵活调制。从原理上来说,超表面可以按照人们的需求任意改变电磁波。
迄今为止,大多数超表面功能器件都基于静态设计的几何结构,通过对几何参数的定义,例如改变超表面的形状、尺寸和阵列的布局,以此来实现相应的功能。但是,在许多实际的应用中,我们需要设备具有动态可调的特性。例如,当拍摄不同距离的物体时,需要改变相机镜头的焦距;全息成像时需要提供动态变化的相位。因此,实现对超表面结构的动态控制来满足不同使用场景是至关重要的。
可调谐超表面光学器件的发展首先集中在固定结构设计上。目前,研究的重点正在转向可调谐功能器件的研究上,高效率和单独控制每个纳米超表面结构是目前主要的挑战。液晶(liquidcrystal)的引入是一种极其具有创造力的方法,由于液晶具有独特的物理特性,可以通过改变温度或者电场来控制液晶的排布方向,将其与纳米超表面结构的结合,使得超表面功能器件动态可调得以实现。本发明通过介质超表面结构与液晶相结合,实现变焦透镜的功能,突破了传统超表面器件功能单一、不可调谐等缺点,使超表面器件具有动态可调的特性,在实际应用中具有广阔的前景。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易的基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法。
本发明的目的是这样实现的:
步骤(1).在波长为1200nm~1500nm的近红外工作带宽内,根据超表面结构对电磁波的异常响应机制,通过对超表面结构的设计,找出一种具有高极化转化率的超表面结构。左旋圆(LCP)偏振光通过介质超表面单元后,透射光包含的两种偏振态,其中一种透射光与入射光的偏振态相反,即右旋圆(RCP)偏振光,另一种透射光与入射光的偏振态相同。该透镜就是将与入射光偏振态相反的透射光聚焦。因此,介质超表面结构的极化转化率越高,透镜的聚焦效率也越高;
步骤(2).若要将入射的平面波聚焦于某一焦点,根据透镜的等光程原理,超表面结构单元的排列需要满足以下相位表达式:
就是超表面结构应满足的相位,其中,x,y是超表面结构所在位置的坐标点,λ是入射光波长,f是透镜的焦距;
步骤(3).将超表面结构放置于充满液晶的透明电极中,根据Pancharatnam-Berry相位,旋转超表面结构一定角度即可满足步骤(2)中的相位分布需求,此时即组成了一个固定焦点的透镜;
步骤(4).当改变电极间的电压时,超表面结构排列方向会随着液晶分子排列方向的改变而改变,超表面结构所提供的相位也发生变化,从而改变透镜焦点的位置,形成一个变焦透镜;
所述步骤(3)其特征在于,Pancharatnam-Berry相位即几何相位,对于圆偏振光而言,若将超表面结构旋转一定角度θ,则可获得2θ的几何相位;
所述步骤(4)其特征在于,超表面结构以0.6um为周期排布于充满液晶的电极中,每个超表面结构对应一个像素,当需要透镜变焦时,分别控制每个像素点对应的电极间的电压,使超表面结构随着液晶发生旋转,以提供相应的相位,来达到变焦的目的。
(四)附图说明
图1为左旋圆(LCP)偏振光入射介质超表面单元后,透射光包含的两种偏振态示意图,其中一种透射光与入射光的偏振态相反,即右旋圆(RCP)偏振光,另一种透射光与入射光的偏振态相同。
图2是介质超表面的极化转化率仿真结果图。
图3(a)是介质超表面结构排列分布示意图;(b)为介质超表面组成的透镜示意图。
图4(a)为未加电压时变焦透镜单元结构示意图,其由透明电极、介质超表面、液晶组成;4(b)为加电压时变焦透镜中超表面单元结构变化示意图。
图5(a)是未加电压时透镜聚焦示意图;(b)改变透明电极间的电压时,透镜变焦示意图。
(五)具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,具体包括以下步骤:
步骤(1).在波长为1200nm~1500nm的近红外工作带宽内,根据超表面结构对电磁波的异常响应机制,通过对超表面单元结构的设计,找出一种具有高极化转化率的超表面结构。如附图1所示,图中椭圆柱型介质超表面硅(Si)的几何形状为高h=0.925um、长轴L1=0.425um、短轴L2=0.22um,旋转角度为θ。左旋圆(LCP)偏振光通过介质超表面单元结构后发生极化转化,透射光包含的两种偏振态,其中一种透射光与入射光的偏振态相反(交叉极化TCross),即右旋圆(RCP)偏振光,另一种透射光与入射光的偏振态相同(同极化TCo)。
该透镜是将与入射光偏振态相反的透射光聚焦。因此,介质超表面结构的交叉极化转化率越高,透镜的聚焦效率也越高,如图2所示,该超表面结构在1200nm~1500nm波长范围内交叉极化转化率(TCross)达到80%以上。
步骤(2).关于透镜上的各个超表面结构应满足的相位确定过程如下:
假设透镜的焦距为f,每个超表面结构对应一个像素点,根据等光程原理计算透镜上每个像素点的相位分布:
就是超表面结构应满足的相位,其中,λ是入射光波长,x,y是超表面结构所在位置的坐标点,如图3所示。图3(a)是介质超表面结构排列分布示意图。介质超表面结构以0.6um为周期排布,根据公式(1)的计算结果,将超表面结构放置于对应的坐标点处且旋转一定角度,即可满足透镜所需的相位需求。此时超表面结构组成了一个固定焦点f的透镜,如图3(b)所示。
根据公式(1)可知,若要实现透镜的变焦功能,只需改变超表面结构所提供的相位即可改变焦距f。这里我们利用Pancharatnam-Berry相位,旋转超表面结构一定角度θ,则可获得2θ的几何相位。
上述Pancharatnam-Berry相位又称几何相位。假设入射圆偏振光场的琼斯矢量表示为:
其中,E0(r,θ)为光场振幅,σ=±1,正负号代表左右旋圆偏振光。那么超表面的输出光场为:
我们注意到输出光场除了圆偏振手性发生了反转之外,还获得了一个附加相位:
φPB=2σθ (4)
这一附加相位就是Pancharatnam-Berry相位。Pancharatnam-Berry相位的大小及分布完全由超表面的微结构局域光轴方向决定。Pancharatnam-Berry相位的符号取决于入射场的偏振手性,控制超表面结构的局域光轴的角度即能获得想要的相位。因此,只要能动态的旋转超表面结构,就可以实现相位的灵活调控。
步骤(3).液晶的引入解决了上述超表面结构动态旋转的问题。图4是该变焦透镜的单元结构示意图,其由透明电极、介质超表面、液晶组成,介质超表面位于充满液晶的透明电极之间。如图4(a)所示,在没有外加电压时,介质超表面结构固定于透明电极之间的液晶中;当透明电极间的电压逐渐增大时,液晶分子产生偏转,排列方向随之改变,超表面结构也随着液晶分子的转动而转动,如图4(b)所示。因此,超表面结构所提供的相位能动态调控,进而可以实现透镜变焦的功能。
经过上述步骤,得到了所设计的基于液晶可调介质超表面变焦透镜,分别控制每个像素点对应的电极间的电压,使超表面结构随着液晶发生旋转,以提供相应的相位,来达到变焦的目的。图5为所设计的透镜的变焦示意图。液晶分子从接受信号到改变排列状态,一般仅需5ms左右,因此超表面结构能够快速响应相位变化,提供精确的相位需求,从而实现快速灵活的变焦功能。
Claims (5)
1.一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,包括透明电极、液晶、超表面结构。其特点在于包括以下步骤:
步骤(1).在波长为1200nm~1500nm的近红外工作带宽内,根据超表面结构对电磁波的异常响应机制,通过对超表面结构的设计,找出一种具有高极化转化率的超表面结构;
步骤(2).若要将入射的平面波聚焦于某一焦点,根据透镜的等光程原理,超表面结构单元的排列需要满足以下相位表达式:
就是超表面结构应满足的相位,其中,x、y是超表面结构所在位置的坐标点,λ是入射光波长,f是透镜的焦距;
步骤(3).将超表面结构放置于充满液晶的透明电极中,根据Pancharatnam-Berry相位,旋转超表面结构一定角度即可满足步骤(2)中的相位分布需求,此时即组成了一个固定焦点的透镜;
步骤(4).当改变电极间的电压时,超表面结构的排列方向会随着液晶分子排列方向的改变而改变,超表面结构所提供的相位也发生变化,从而改变透镜焦点的位置,形成一个变焦透镜。
2.根据权力要求1所述的一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,步骤(1)其特征在于,所述超表面结构的材料为硅,其几何形状为高0.925um、长轴0.425um、短轴0.22um的椭圆柱型。
3.根据权力要求1所述的一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,在1200nm~1500nm工作波长内,超表面结构的极化转化率达到80%以上。
4.根据权力要求1所述的一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,步骤(3)其特征在于,Pancharatnam-Berry相位即几何相位,对于圆偏振光而言,若将超表面结构旋转一定角度θ,则可获得2θ的几何相位。
5.根据权力要求1所述的一种基于液晶可调介质超表面构造变焦透镜的方法,步骤(4)其特征在于,超表面结构以0.6um为周期排布于充满液晶的电极中,每个超表面结构对应一个像素,当需要透镜变焦时,分别控制每个像素点对应的电极间的电压,使超表面结构发生旋转,以提供相应的相位,来达到变焦的目的。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20230908 |
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