CN111221197A - 一种超表面硅基液晶复合空间光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超表面硅基液晶复合空间光调制器，涉及微纳光学领域，包括硅基液晶空间光调制器和超表面微纳芯片，硅基液晶空间光调制器其用于在接收入射光波后，将其反射的光波偏转一定的角度后进行输出，以完成第一次相位调制；超表面微纳芯片用于接收所述硅基液晶空间光调制器输出的光波，并将接收到的光波按照预设的位相梯度进行透射，以完成第二次相位调制。本发明提供的超表面硅基液晶复合空间光调制器，光束偏转角度较大，从而实现大角度范围对光场进行调控，适用范围更广。

Description

一种超表面硅基液晶复合空间光调制器
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，具体涉及一种超表面硅基液晶复合空间光调制器。
背景技术
硅基液晶空间光调制器(Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS-SLM)可以根据所需的空间模式，对入射光波的相位及波前进行精密的调控，因此，硅基液晶空间光调制器LCOS-SLM在激光加工、三维显微镜观察、光通信技术等领域均有着非常广泛的应用。
现有技术中，硅基液晶空间光调制器LCOS-SLM主要由装有驱动像素电路的硅基板、带透明电机的玻璃基板和夹于两者之间的液晶层构成，且液晶层包括若干液晶像素单元，通过对液晶像素单元施加电压控制液晶分子的排列方向，从而改变透过液晶分子的光的光程，进而对照射到各个像素单元上的光束的位相进行调控。
然而，由于传统的硅基液晶空间光调制器LCOS-SLM的光束偏转角度θ＝λ/Δ,其中λ是入射激光光波的波长，Δ是液晶分子的尺寸，在光通信频段，光束的偏转角度限制在约5度的范围内，无法适用于大角度偏转的需求，从而极大地限制了其应用功能。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超表面硅基液晶复合空间光调制器，光束偏转角度较大，从而实现大角度范围对光场进行调控，适用范围更广。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种超表面硅基液晶复合空间光调制器，包括：
硅基液晶空间光调制器，其用于在接收入射光波后，将其反射的光波偏转一定的角度后进行输出，以完成第一次相位调制；
超表面微纳芯片，其用于接收所述硅基液晶空间光调制器输出的光波，并将接收到的光波按照预设的位相梯度进行透射，以完成第二次相位调制。
在上述技术方案的基础上，所述超表面微纳芯片包括：
介质衬底；
若干超表面微纳共振单元，其设于所述介质衬底靠近所述硅基液晶空间光调制器的一侧，且所有所述超表面微纳共振单元按照预设的位相梯度进行设计。
在上述技术方案的基础上，所述超表面微纳共振单元为纳米砖结构。
在上述技术方案的基础上，所有所述超表面微纳共振单元周期性阵列分布。
在上述技术方案的基础上，所述硅基液晶空间光调制器的反射面和所述超表面微纳芯片的透射面呈一定夹角。
在上述技术方案的基础上，第一次相位调制的偏转角度为Δθ1，第二次相位调制的偏转角度为Δθ2，Δθ1<Δθ2。
在上述技术方案的基础上，至少部分所述超表面微纳共振单元的尺寸不同。
在上述技术方案的基础上，所述硅基液晶空间光调制器包括装有驱动像素电路的硅基板、带透明电机的玻璃基板和夹于所述硅基板和玻璃基板之间的液晶层。
在上述技术方案的基础上，所述液晶层包括若干液晶像素单元。
在上述技术方案的基础上，所有所述液晶像素单元阵列分布。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的超表面硅基液晶复合空间光调制器，光束偏转角度较大，从而实现大角度范围对光场进行调控，适用范围更广。
附图说明
图1为本发明实施例中超表面硅基液晶复合空间光调制器的结构示意图；
图2为本发明实施例中超表面微纳芯片的结构示意图；
图3为图2的仰视图。
图中：1-硅基液晶空间光调制器，2-超表面微纳芯片，21-介质衬底，22-超表面微纳共振单元。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种超表面硅基液晶复合空间光调制器，包括硅基液晶空间光调制器1和超表面微纳芯片2。
硅基液晶空间光调制器1用于在接收入射光波后，将其反射的光波偏转一定的角度后进行输出，以完成第一次相位调制；
超表面微纳芯片2用于接收所述硅基液晶空间光调制器1输出的光波，并将接收到的光波按照预设的位相梯度进行透射，以完成第二次相位调制。
在本发明实施例中，超表面硅基液晶复合空间光调制器的工作原理为：光波入射到硅基液晶空间光调制器1上，通过调整硅基液晶空间光调制器1的参数，即控制施加在硅基液晶空间光调制器1的液晶分子上的电压，使得经过硅基液晶空间光调制器1后，反射的光波偏转一定的角度，如图1所示的第一次相位调制的偏转角度为Δθ1，经过第一次相位调制后光波传输至超表面微纳芯片2，超表面微纳芯片2按照预设的位相梯度进行透射，使得投射光波偏转更大的角度后输出，如图2所示的第二次相位调制的偏转角度为Δθ2，通过预设的位相梯度来调整偏转角度，从而使得光束偏转角度较大，实现大角度范围对光场进行调控，适用范围更广。
参见图1所示，本发明实施例中，入射光波在进行两次相位调制后输出光波1，如虚线所示，未进行两次相位调制后输出光波2，如实线所示，光波2表示入射光波在硅基液晶空间光调制器1未进行相位调制后发生反射，且在超表面微纳芯片2未进行相位调制后发生折射。对比可知，与未进行相位调制的光波2相比，在经过硅基液晶空间光调制器1进行第一次相位调制后的偏转角度为Δθ1，在经过超表面微纳芯片2进行第二次相位调制后的偏转角度为Δθ2，且Δθ1<Δθ2。
参见图2所示，所述超表面微纳芯片2包括介质衬底21和若干超表面微纳共振单元22。超表面微纳共振单元22设于所述介质衬底21靠近所述硅基液晶空间光调制器1的一侧，且所有所述超表面微纳共振单元22按照预设的位相梯度进行设计。
优选地，采用经典的G-S优化算法来设计超表面微纳共振单元22的位相梯度分布。
在本发明实施例中，超表面微纳芯片2的工作原理为：入射光波入射到介质衬底21上，遵从经典斯涅耳定律产生折射和反射，经过经典斯涅耳折射的光波进入介质衬底中进行直线传播，直到光波进入到超薄超表面微纳共振结构的界面上，该界面即为介质衬底21和超表面微纳共振单元22的连接面，此时超表面微纳共振单元22会给入射光提供线性梯度的相位突变，光波不再遵从经典的斯涅耳定律，而是遵从广义的斯涅耳定律，即透射光满足方程：
Figure BDA0002261168770000051
其中，θ2是超表面微纳共振单元22的透射角，θ1是超表面微纳共振单元22的入射角，n1为介质衬底21的折射率，n2为超表面微纳共振单元22的折射率，λ为入射光波的波长，
Figure BDA0002261168770000061
为超表面微纳共振单元22的位相梯度，dx为在x方向上的位置改变，dФ为dx位置改变上的位相变化。
在本发明实施例中，通过超表面微纳共振单元22的位相梯度的设计，可以对透射光波的角度进行调控。
具体地，在本发明实施例中，所述超表面微纳共振单元22为纳米砖结构，在实际使用中，也可以根据需要，选择其他形状的超表面微纳共振单元22。
参见图3所示，更为优选地，在本发明实施例中，所有所述超表面微纳共振单元22周期性阵列分布。在x方向和y方向上，纳米砖的排列按照周期性排列，周期的大小取决于相邻的纳米转之间的无耦合或者耦合较小。
更进一步地，所述硅基液晶空间光调制器1的反射面和所述超表面微纳芯片2的透射面呈一定夹角。第一次相位调制的偏转角度为Δθ1，第二次相位调制的偏转角度为Δθ2，Δθ1<Δθ2。
在本发明实施例中，至少部分所述超表面微纳共振单元22的尺寸不同，可以通过改变超表面微纳共振单元22的尺寸和转向，对入射光波进行相位的调控。通常改变相位的方式有三种，分别为几何相位、传输相位、几何相位与传输相位结合的方式。
在本发明实施例中，具体地，所述硅基液晶空间光调制器1包括装有驱动像素电路的硅基板、带透明电机的玻璃基板和夹于所述硅基板和玻璃基板之间的液晶层。所述液晶层包括若干液晶像素单元。所有所述液晶像素单元阵列分布。通过对液晶像素单元施加电压控制液晶分子的排列方向，从而改变透过液晶分子的光的光程，进而对照射到各个像素单元上的光束的位相进行调控。
本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于，包括：
硅基液晶空间光调制器(1)，其用于在接收入射光波后，将其反射的光波偏转一定的角度后进行输出，以完成第一次相位调制；
超表面微纳芯片(2)，其用于接收所述硅基液晶空间光调制器(1)输出的光波，并将接收到的光波按照预设的位相梯度进行透射，以完成第二次相位调制。
2.如权利要求1所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于，所述超表面微纳芯片(2)包括：
介质衬底(21)；
若干超表面微纳共振单元(22)，其设于所述介质衬底(21)靠近所述硅基液晶空间光调制器(1)的一侧，且所有所述超表面微纳共振单元(22)按照预设的位相梯度进行设计。
3.如权利要求2所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于，所述超表面微纳共振单元(22)为纳米砖结构。
4.如权利要求2所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：所有所述超表面微纳共振单元(22)周期性阵列分布。
5.如权利要求1所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：所述硅基液晶空间光调制器(1)的反射面和所述超表面微纳芯片(2)的透射面呈一定夹角。
6.如权利要求1所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：第一次相位调制的偏转角度为Δθ1，第二次相位调制的偏转角度为Δθ2，Δθ1<Δθ2。
7.如权利要求1所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：至少部分所述超表面微纳共振单元(22)的尺寸不同。
8.如权利要求1所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：所述硅基液晶空间光调制器(1)包括装有驱动像素电路的硅基板、带透明电机的玻璃基板和夹于所述硅基板和玻璃基板之间的液晶层。
9.如权利要求8所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：所述液晶层包括若干液晶像素单元。
10.如权利要求9所述的超表面硅基液晶复合空间光调制器，其特征在于：所有所述液晶像素单元阵列分布。
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