CN110865475A - 一种高衍射效率相位型空间光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高衍射效率相位型空间光调制器,在可独立寻址硅基集成电路上设置吸收层,像素电极设置在吸收层表面,在像素电极上制备纳米柱超表面,像素电极作为下基板,导电玻璃作为上基板,在上、下基板间灌注液晶。本发明通过在像素电极内随机分布多个纳米柱阵列结构有效增大器件视场角,可适用于实时计算的全息成像。本发明通过像素电极施加电压改变液晶指向矢方向,从而改变了纳米柱结构周围局部环境的等效折射率和共振现象,主要相位调制作用发生在纳米柱结构内而不是液晶层中,有效减少液晶层厚度,减弱了边缘场效应同时有效地提高了空间光调制器响应速度。该器件利用MIM超材料结构几乎完美的吸收影响器件应用的零级光波。
Description
技术领域
本发明涉及一种高衍射效率相位型空间光调制器,属于光电器件领域。
背景技术
空间光调制器(spatial light modulator, SLM) 是一种能够承载计算全息图,并进行光电再现的器件。空间光调制器能够根据输入控制信号对入射光的振幅、相位、偏振等特性进行实时的调制以实现对于光场的操控。
纯相位空间光调制器能够在不改变光场强度的情况下重新配置进入每个像素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者折射率来实现对于入射光的相位调制的。因为液晶特殊的光电效应发展出液晶空间光调制器,能够在不同电场的条件下改变液晶分子的取向,提供了沿给定方向动态控制每个像素折射率的手段,最终实现对入射光波的相位调制作用。因此液晶空间光调制器成为了对于光波波前的连续相位控制的主流方法。因其能够灵活、方便的调制光波波前而具有广泛的应用,其中应用最多的为硅基液晶技术的反射式空间光调制器。
硅基液晶(LCoS)是指在单晶硅上制作的反射式液晶空间光调制器。与传统的在非晶硅或者多晶硅材料上生长薄膜晶体管(TFT)有源驱动矩阵相比较,其具有较大的优势。首先 LCoS采用单晶硅基底可以利用成熟的集成电路技术,大幅提高器件的集成度,增强器件的可靠性。其次,单晶硅迁移率高,能够形成高密度开关矩阵,实现高密度的像素显示而拥有更高的分辨率。再者,不同于 TFT 生长在像素中间,LCoS 的驱动电路集成在像素背后,因此能够实现大于 90%的填充率,远远高于一般 TFT 器件的 35%的填充率,提高了光能利用率,并有利于实现更小尺寸的液晶器件。并且由于是反射式器件,缩小了液晶层厚度,因而提高了响应速度,降低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改变光的相位。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。
宽视场角是纯相位空间光调制器应用在全息成像领域的必然发展要求,然而目前的空间光调制器无法处理真实三维场景所需的大视场角模式。对于真实物体,它的光可以在每个方向上散射,因此可以从任何角度观察到它,但是现有的空间光调制器因为受像素尺寸限制,生成的三维场景的视场角被限制在几度以内。
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
本发明首次提出了将随机分布纳米柱超表面应用到液晶空间光调制器领域,本发明是结合硅基液晶空间光调制器、高折射率介质超表面、MIM超材料获得一种高衍射效率相位型空间光调制器。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:在可独立寻址硅基集成电路上设置吸收层,像素电极设置在吸收层表面,在像素电极上制备纳米柱超表面,像素电极作为下基板,导电玻璃作为上基板,在上、下基板间灌注液晶。
进一步地,所述的纳米柱超表面随机分布在像素电极上,纳米柱超表面受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位。
进一步地,每个像素电极上含有的纳米柱超表面数量相同。
进一步地,所述的纳米柱超表面中纳米柱以正方体为单位随机排列,在每个单位内纳米柱几何结构为圆柱体。
进一步地,所述的纳米柱超表面中纳米柱以正六棱柱为单位随机排列,在每个单位内纳米柱几何结构的横截面外轮廓为四边形,内轮廓为圆形。
进一步地,纳米柱超表面所采用的介质材料为:二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵、铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓或氧化钛。
进一步地,所述的吸收层采用金属层、绝缘体层和金属层依次形成的MIM结构。
进一步地,MIM结构中,下层的金属层和中层的绝缘体层均为均匀层状结构,上层的金属层为图案结构,作为所述像素电极。
进一步地,MIM结构中,上、下层的金属层和中层的绝缘体层均为均匀层状结构;所述MIM结构上覆盖一层绝缘层,绝缘层上设置所述像素电极。
进一步地,在上基板和下基板的内表面均设置光取向层。
具体地,一种高衍射效率相位型空间光调制器,在刻有可独立寻址半导体电极(CMOS电路)的硅基集成电路芯片上制备金属-绝缘体-金属(MIM)超材料吸收层作为反射膜,在像素电极上制备高折射率介质纳米柱超表面,用铟锡氧化物(ITO)导电玻璃作为上基板,在上下基板内表面制备光取向层,在上下基板间灌注液晶;所述的高折射率介质纳米柱超表面随机分布在像素电极上,每个像素电极上含有的纳米柱结构数量相同,有效增大器件视场角。
所述的高折射率介质纳米柱超表面基于惠更斯超表面原理,通过设计纳米柱几何结构尺寸使得纳米柱结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位,这种情况下引发的共振现象会极大程度抑制光场的后散射现象,获得高衍射效率的空间光调制器。所述的纯相位空间光调制器的相位调制原理是通过外加电场改变液晶分子取向,进而改变高折射率介质纳米柱结构周围局部环境的等效折射率和共振现象,改变了入射光场的相位,相位调制作用主要发生在纳米柱结构内,而不是发生在液晶层中,有效减少液晶层厚度,显著提高空间光调制器的响应速度,并削弱边缘场效应。
所述的高折射率介质纳米柱超表面设计可分为两种设计方案:
一种设计方案是针对特定波长的纯相位空间光调制器设计:高折射率介质纳米柱超表面中纳米柱以正方体为单位随机排列,在每个单位内纳米柱几何结构为圆柱体,通过设计纳米柱特定尺寸得到在特定波长下入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位,进而通过像素电极加电改变纳米柱周围折射率和共振现象,进行相位调制。
另一种设计方案是针对宽波带的纯相位空间光调制器设计:高折射率介质纳米柱超表面中纳米柱以正六棱柱为单位随机排列,在每个单位内纳米柱几何结构的横截面外轮廓为四边形,内轮廓为圆形,在这种纳米柱结构设计下,每个纳米柱结构引发的相位调制量与波长呈反比关系,这恰好满足透镜相位分布条件中相位调制量与波长之间的关系,通过针对特定透镜焦距设计像素电极所加电压,可以得到宽波带的液晶透镜。
所述的金属-绝缘体-金属(MIM)超材料吸收层具有近乎完美的光吸收特性,在所述结构中MIM结构用于吸收影响器件应用效果的零级光波,即未入射到纳米柱结构共振的光束,通过MIM结构消除器件产生的零级光束,可以有效提高器件的有效衍射效率。
所述的高折射率介质纳米柱超表面设计可分为两种设计方案:
一种设计方案是顶层图案化结构:MIM结构以金属-绝缘体-金属的三层结构设计,下层金属结构和中层绝缘体结构均为均匀层状结构,最上层金属结构为图案化结构,作为所述的高衍射效率相位型空间光调制器的像素电极。
另一种设计方案是顶层非图案化结构:MIM结构以金属-绝缘体-金属的三层结构设计,上层和下层金属结构和中层绝缘体结构均为均匀层状结构,在MIM结构上继续覆盖一层绝缘层后制备像素电极,像素电极采用透明ITO电极。
所述的光取向层的厚度需要很薄以避免因光取向层对共振产生影响,光取向层经过线性偏振光进行曝光,使得灌入液晶后,液晶分子呈现均匀平面内对准,在器件实际应用过程中,入射光应为线性偏振光且偏振方向与液晶分子取向方向相同。
相对于现有技术,本发明的有益效果如下:
1、本发明提出的纯相位空间光调制器结合硅基液晶与高折射率介质超表面,基于随机分布与像素电极上的高折射率介质纳米柱,实现了宽视场角的可寻址的动态相位调制器件。
2、本发明实现的相位调制主要发生在纳米柱结构内而不是液晶层中,减小了液晶层厚度,减弱了边缘场效应,同时有效地提高了空间光调制器响应速度。
3、本发明利用MIM超材料结构几乎完美的吸收了影响器件应用的零级光波,提高了器件使用的对比度,具有商业应用潜力。
4、本发明通过设计高折射率纳米柱结构几何形状,实现了针对单波长动态相位调制器件和针对宽波带的可变相位透镜器件。
附图说明
图1为本发明实施例中的结构示意图;
图2为本发明实施例中高折射率介质纳米柱随机分布示意图;
图3为本发明实施例中针对特定波长的高折射率介质纳米柱几何结构示意图;
图4为本发明实施例中针对宽波带的高折射率介质纳米柱几何结构示意图;
图5为本发明实施例中MIM顶层图案化结构示意图;
图6为本发明实施例中MIM顶层非图案化结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例公开了一种高衍射效率相位型空间光调制器,图1是本发明的高衍射效率相位型空间光调制器的结构示意图,在硅衬底1上刻有可独立寻址半导体电极2(CMOS电路),电路上制备了金属-绝缘体-金属(MIM结构3)超材料吸收层作为反射膜,MIM结构3上设置像素电极,在像素电极上制备高折射率介质纳米柱4超表面,用铟锡氧化物(ITO)导电玻璃作为上基板5,像素电极作为下基板6,在上基板5、下基板6内表面制备光取向层7,并在上、下基板5、6间灌注液晶8。
本发明的空间光调制器是基于惠更斯超表面原理,通过设计纳米柱几何结构尺寸使得纳米柱结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位,在这种情况下入射光场引发的共振现象会极大程度抑制光场的后散射现象,获得高衍射效率的空间光调制器。本发明的纯相位空间光调制器的相位调制原理是通过外加电场改变液晶分子取向,进而改变高折射率介质纳米柱结构周围局部环境的等效折射率和共振现象,从而改变了入射光场的相位,相位调制作用主要发生在纳米柱结构内,而不是发生在液晶层中,有效减少液晶层厚度,显著提高空间光调制器的响应速度,并削弱边缘场效应。
图2是本发明的高折射率介质纳米柱4随机分布示意图,高折射率介质纳米柱超表面随机分布在像素电极(下基板6)上,每个像素电极上含有的纳米柱超表面结构数量相同,这种设计方案有效增大器件视场角。本发明在像素电极上制备更小尺寸的纳米柱结构,相比于像素电极,纳米柱结构可以获得更大视角的衍射光场。如果像素电极上的纳米柱结构呈周期性排列,重建后的全息图只能在由像素间距定义的奈奎斯特频率内携带光学信息,这种情况下重建的像会存在多个空间混叠的不需要的像;本发明中像素电极上的纳米柱结构呈随机排列,在以柱结构尺寸定义的衍射角范围内,以牺牲背景噪声为代价,抑制了全息图像的复制,在每个像素内制备多个纳米柱结构有效避免因纳米柱尺寸小引起的衍射效率损失的问题。
本发明中的高折射率介质纳米柱结构超表面所采用的介质材料可以使用的材料包括:二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵、铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓或氧化钛。
本实例中给出以二氧化钛TiO2为介质材料制备纳米柱结构的制备工艺流程,具体包括如下步骤:
(a)在像素电极上沉积非晶态TiO2薄膜,沉积速率为0.28 Å/s,以保证薄膜的均匀性。用原子力显微镜对TiO2薄膜沉积后的表面粗糙度进行了表征;(b)用电子束蒸发器在步骤(a)中制备的TiO2薄膜上蒸发一层30 nm的铬膜。然后进行电子束光刻来定义掩模。然后,通过反应离子刻蚀过程将掩模图案转移到铬层。使用含Cl2和O2气体的工艺来保证图案转移的准确度;(c)以铬膜为硬掩模,通过用CHF3气体进行干法刻蚀,实现了TiO2纳米柱结构的形成;(d)将样品浸泡在一种铬蚀刻液(Sigma-Aldrich)中4分钟,除去铬膜。
本发明中的高折射率介质纳米柱结构超表面可分为两种设计方案:
一种设计方案是针对应用在特定波长的纯相位空间光调制器设计:纳米柱几何结构示意图如图3所示,高折射率介质纳米柱超表面中纳米柱以正方体41为单位随机排列,在每个单位内纳米柱411几何结构为圆柱体;通过设计纳米柱特定尺寸得到在特定波长下入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位,进而通过像素电极加电改变纳米柱周围折射率和共振现象,进行相位调制。以二氧化钛纳米柱超表面为例,针对660nm波长的光,当设计结构单位正方体地面正方形边长为360nm,纳米柱高度为205nm,纳米柱半径为135nm时,满足共振条件。
另一种设计方案是针对宽波带的纯相位空间光调制器设计:具有固定连续相位轮廓的液晶透镜相位分布需要满足条件Γ=πr2 /λf,该条件定义了在半径为r、波长为λ下的焦距为f的透镜的相位延迟量Γ的抛物线轮廓,根据透镜相位分布公式,当焦距不发生改变时,波长与相位延迟量呈反比关系,纳米柱几何结构示意图如图4所示,高折射率介质纳米柱超表面中纳米柱以正六棱柱42为单位随机排列,在每个单位内纳米柱421几何结构为四棱柱体,内部具有圆柱体空心,即纳米柱几何结构的横截面外轮廓为四边形,内轮廓为圆形。在这种纳米柱结构设计下,每个纳米柱结构引发的相位调制量与波长呈反比关系,这恰好满足透镜相位分布条件中相位调制量与波长之间的关系;根据具有固定连续相位轮廓的液晶透镜的相位目标参数,计算出不同相位大小对应的透镜半径位置,通过相应像素电极位置施加电压满足所需的相位调制量,通过针对特定透镜焦距设计像素电极所加电压,可以制备得到宽波带的可变焦距的液晶透镜。以氮化硅纳米柱超表面为例,当设计结构单位正六棱柱底面边长为320nm,纳米柱高度为400nm,圆形孔的直径为60nm,纳米柱横截面外轮廓四边形长100nm、宽80nm,纳米柱横截面内轮廓圆形半径为60nm时,满足设计要求。
本发明中的金属-绝缘体-金属(MIM)超材料吸收层具有近乎完美的光吸收特性,在所述结构中MIM结构用于吸收影响器件应用效果的未得到相位调制的零级光波,即未入射到纳米柱结构共振的光束,通过MIM结构消除器件产生的零级光束,可以有效提高器件的有效衍射效率。所述的高折射率介质纳米柱超表面设计可分为两种设计方案:
一种设计方案是顶层图案化结构:MIM结构31以金属-绝缘体-金属的三层结构设计,如图5所示,下层金属结构311和中层绝缘体结构312均为均匀层状结构,最上层金属结构313为图案化结构,作为所述的高衍射效率相位型空间光调制器的像素电极,本实施例中优选结构设计为:下层金属材料为金,绝缘体材料为MgF2,上层图案化金属结构材料为金。
另一种设计方案是顶层非图案化结构:MIM结构32以金属-绝缘体-金属的三层结构设计,如图6所示,上、下层金属结构323、321和中层绝缘体结构322均为均匀层状结构,在MIM结构上继续覆盖一层绝缘层324后制备像素电极,像素电极采用透明ITO电极325,本实施例中优选结构设计为:上、下层金属材料为银,绝缘体材料为SiO2。
本发明中的光取向层7用于提高液晶指向矢对准质量,改善高折射率纳米柱超表面调谐特性,如图1所示,本发明中光取向层7分别覆盖在MIM结构3上面的下基板6像素电极上和上基板5透明ITO导电玻璃下,两层光取向层10之间灌满液晶8。为了避免光取向层对共振现象的影响,需要将光取向层厚度制备的非常薄。
本实施例给出以光取向材料AtA-2作为光取向层的制备工艺流程,具体包括如下步骤:
(a)在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中以0.25 wt%的质量分数溶解AtA-2,经过过滤步骤后制备得到光取向溶液;(b)对纳米柱超表面样品和透明ITO导电玻璃进行清洗,使用丙酮、乙醇、去离子水分别用100KHz超声清洗10分钟,随后在120℃的真空烘箱中烘干,最后将ITO导电玻璃放入充有高纯氩气和高纯氧气的等离子体清洗机中处理5分钟;(c)将光取向溶液分别旋涂在ITO导电玻璃和步骤(2)中纳米柱超表面样品上,以800 rpm的速度旋转5s,然后再用3000 rmp速度旋转40s。之后,将样品和ITO导电玻璃在140℃在热台上烘烤5 min;(d)用偏振光对样品和ITO导电玻璃进行相同偏振曝光,确定液晶预对准方向,保证液晶取向均匀水平分布。
本发明将间隔粒子均匀混合在框胶内,通过间隔粒子控制液晶层厚度;使用点胶机对上基板进行点胶封框,框定液晶所在区域,并留一个开口以便灌注液晶。将上基板与下基板对位贴合。本发明中利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶。灌注完成后,进行封口。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:在可独立寻址硅基集成电路上设置吸收层,像素电极设置在吸收层表面,在像素电极上制备纳米柱超表面,像素电极作为下基板,导电玻璃作为上基板,在上、下基板间灌注液晶。
2.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:所述的纳米柱超表面随机分布在像素电极上,纳米柱超表面受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子震荡具有相同的振幅和相位。
3.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:每个像素电极上含有的纳米柱超表面数量相同。
4.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:所述的纳米柱超表面中纳米柱以正方体为单位随机排列,在每个单位内纳米柱几何结构为圆柱体。
5.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:所述的纳米柱超表面中纳米柱以正六棱柱为单位随机排列,在每个单位内纳米柱几何结构的横截面外轮廓为四边形,内轮廓为圆形。
6.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:纳米柱超表面所采用的介质材料为:二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵、铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓或氧化钛。
7.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:所述的吸收层采用金属层、绝缘体层和金属层依次形成的MIM结构。
8.根据权利要求7所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:MIM结构中,下层的金属层和中层的绝缘体层均为均匀层状结构,上层的金属层为图案结构,作为所述像素电极。
9.根据权利要求7所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:MIM结构中,上、下层的金属层和中层的绝缘体层均为均匀层状结构;所述MIM结构上覆盖一层绝缘层,绝缘层上设置所述像素电极。
10.根据权利要求1所述的高衍射效率相位型空间光调制器,其特征在于:在上基板和下基板的内表面均设置光取向层。
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