CN112162419A - 基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其包括：纳米剪纸超构表面，包括纳米导电薄膜以及在该纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元；电压驱动单元，用于在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间施加电压以使纳米剪纸结构单元产生三维弹性形变；以及电压调节单元，用于调节电压驱动单元的电压大小，实现光波前动态调制。还提供了一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法。该系统和方法可以实现对入射光的像素级、可寻址型动态调制，其响应速度快，工作波段宽，易于集成化。

Description

基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统和方法，可用于波前整形、信息加密、动态全息显示等领域。

背景技术

超构表面通常由亚波长尺寸的金属天线或者谐振腔阵列组成，通过改变纳米天线的形状、尺寸以及材料可以实现对入射光的振幅、位相、偏振态的像素级独立调制，实现光场的调控并产生特殊的光学效应。受限于加工技术以及使用材料的发展，主要的研究均在静态调制层面展开，即超构表面的光场调制效果在加工完成后无法修改，虽然可以实现特定的光学整形，例如借助超构表面实现光学聚焦效果，但是无法实现光场的动态灵活调制。

随着技术的发展与进步，已经有一些可以实现光波前主动调制的超构表面方法被报道。例如将水凝胶作为基底、金属天线作为调制单元的超构表面技术，该种技术通过改变外界温度改变水凝胶的塌缩与膨胀状态，进而改变超构表面上调制单元的像素间距，实现对光波前的动态调制；与之类似的使用可机械拉伸的材料作为基底，通过机械拉伸实现超构表面上调制结构的分布改变，但是上述方法对基底材料的物理性质要求较高、调制精度难以保证。石墨烯、二氧化钒等相变材料也可以构建光学超构表面，借助外部施加光、热等信号可以使材料晶体或非晶态状态间切换，从而改变结构的光学性质，实现光波前的动态调制，但是其调制能力受到自身材料的制约，且加工困难，响应速度漫，不适合集成化。

鉴于上述，本发明旨在提供一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其中纳米剪纸可实现折叠、弯曲、扭曲等丰富的三维形变并且实现独特的光学效应,包括超光学手性、超构表面衍射、相位和偏振调控以及光子自旋霍尔效应等。同时，借助适当的外部刺激，例如离子束辐照、外界应力、外加电压信号等可以实现剪纸结构的塑性和弹性形变，进而改变纳米剪纸结构的光学性质，实现对光波前的动态调制效果，也易于集成化。该基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统包括：

纳米剪纸超构表面，包括纳米导电薄膜以及在该纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元；

电压驱动单元，用于在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间施加电压以使纳米剪纸结构单元产生三维弹性形变；以及

电压调节单元，用于调节电压驱动单元的电压大小，实现光波前动态调制。

根据本发明又一方面，多个所述纳米剪纸结构单元在纳米导电薄膜上形成阵列。

根据本发明又一方面，所述纳米剪纸结构单元通过将纳米导电薄膜的预定区域加工剪裁掉预定图案部分形成。

根据本发明又一方面，入射光从纳米剪纸超构表面一侧入射，经过作为光学调制单元的纳米剪纸结构单元调制后从纳米剪纸超构表面反射。

根据本发明又一方面，预定图案部分包括交错排列的四段圆弧。优选地，在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间设置有四个支撑柱，通过该四个支撑柱所述纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极以预定间隔且彼此绝缘地布置。

根据本发明又一方面，还提供了一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法，其特征在于包括以下步骤：

在纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元；

与纳米剪纸结构单元相对地设置透明电极，并在纳米剪纸结构单元与透明电极之间施加电压以使纳米剪纸结构单元产生三维弹性形变；

调节电压驱动单元的电压大小，实现光波前动态调制。

根据本发明又一方面，在纳米导电薄膜上设置纳米剪纸结构单元阵列。

根据本发明又一方面，通过将纳米导电薄膜的预定区域加工剪裁掉预定图案部分形成所述纳米剪纸结构单元。

根据本发明又一方面，入射光从作为光学调制单元的纳米剪纸结构单元的一侧入射，经过调制后从纳米剪纸结构单元反射。

根据本发明又一方面，所述预定图案部分包括交错排列的四段圆弧。优选地，在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间设置四个支撑柱，通过该四个支撑柱所述纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极以预定间隔且彼此绝缘地布置。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

首先，本发明选取纳米剪纸结构作为调制单元实现对光波前的像素化调控，像素尺寸缩小至微米乃至百纳米量级，提高了光波前调制结构阵列的空间带宽积；

其次，本发明通过施加外部电压信号实现纳米剪纸结构的三维形变，改变剪纸结构调制单元的光学响应性质，进而实现对出射光波前的动态修改，并且通过施加连续变化的电信号可以实现对出射光波前的连续调控，且可以实现调制状态的重复改变，调高调制器件的信息容量；

第三，本发明通过对纳米剪纸结构的周期排列以及外部驱动单元可以实现对入射光的像素级、可寻址型动态调制，其响应速度快，工作波段宽，易于集成化，可以为波前整形、数据传输、防伪技术、动态全息显示等提供新的发展方向。

附图说明

为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：

图1为根据本发明一种优选实施例的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统的结构示意图；

图2为图1中的纳米剪纸结构单元的结构示意图；

图3为根据本发明一种优选实施例的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统在施加外部电压时的状态示意图；

图4为根据本发明一种优选实施例的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统在调整电压大小时的状态变化示意图；

图5为根据本发明另一种优选实施例的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统在调整电压大小时的状态示意图。

具体实施例

现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。

在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。

实施例1

参见图1，其示出了一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，该基于纳米剪纸超构表面101的光电动态调制系统包括：

纳米剪纸超构表面101，包括纳米导电薄膜以及在该纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元104；

电压驱动单元103，用于在纳米剪纸结构单元104与相对设置的透明电极102之间施加电压以使纳米剪纸结构单元104产生三维弹性形变；以及

电压调节单元(未示出)，用于调节电压驱动单元103的电压大小，实现光波前动态调制。

可以理解的是，在施加电压的情形下，能够产生三维弹性形变的任何结构的纳米剪纸结构单元104都能用于本发明。纳米剪纸结构单元104用作一个电极，且与相对设置的透明电极102构成一对电极，用于施加电压。

根据本发明又一种优选实施方式，多个所述纳米剪纸结构单元104在纳米导电薄膜上形成阵列。

根据本发明又一种优选实施方式，参见图2，所述纳米剪纸结构单元104通过将纳米导电薄膜的预定区域加工剪裁掉预定图案部分106形成。

根据本发明又一种优选实施方式，参见图1，如箭头所示，入射光从纳米剪纸超构表面101一侧入射，经过作为光学调制单元的纳米剪纸结构单元104调制后从纳米剪纸超构表面101反射。

根据本发明又一种优选实施方式，参见图2，预定图案部分包括交错排列的四段圆弧。优选地，参见图3-4，在纳米剪纸结构单元104与相对设置的透明电极102之间设置有四个支撑柱105，通过该四个支撑柱105所述纳米剪纸结构单元104与相对设置的透明电极102以预定间隔且彼此绝缘地布置。

根据本发明又一种优选实施方式，还提供了一种基于纳米剪纸超构表面101的光电动态调制方法，其特征在于包括以下步骤：

在纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元104；

与纳米剪纸结构单元104相对地设置透明电极102，并在纳米剪纸结构单元104与透明电极102之间施加电压以使纳米剪纸结构单元104产生三维弹性形变；

调节电压驱动单元103的电压大小，实现光波前动态调制。

根据本发明又一种优选实施方式，在纳米导电薄膜上设置纳米剪纸结构单元104阵列。

根据本发明又一种优选实施方式，通过将纳米导电薄膜的预定区域加工剪裁掉预定图案部分106形成所述纳米剪纸结构单元104。

根据本发明又一种优选实施方式，入射光从作为光学调制单元的纳米剪纸结构单元104的一侧入射，经过调制后从纳米剪纸结构单元104反射。

根据本发明又一种优选实施方式，所述预定图案部分包括交错排列的四段圆弧。优选地，在纳米剪纸结构单元104与相对设置的透明电极102之间设置四个支撑柱105，通过该四个支撑柱105所述纳米剪纸结构单元104与相对设置的透明电极102以预定间隔且彼此绝缘地布置。

根据本发明又一种优选实施方式，为获得特定光学调制效果的微纳调制单元，可设计不同光学响应的纳米剪纸结构单元104，通过对结构设计参数的优化，实现多个不同的光学调制单元，并将其通过聚焦离子束、电子束曝光等微加工技术加工至纳米薄膜表面。

根据本发明又一种优选实施方式，为实现动态像素级的出射光调制效果，在纳米薄膜外添加外部电压驱动单元103，使得纳米剪纸结构在静电力的作用下发生形变，实现对出射光波前的调制。纳米剪纸结构所施加的外部电压驱动导致的纳米剪纸结构发生弹性形变，进而实现对出射光波前的动态修改。

根据本发明又一种优选实施方式，通过聚焦离子束、电子束曝光等技术将纳米剪纸结构阵列加工至纳米薄膜上，再通过外界电压信号的输入实现剪纸结构的三维形变，进而改变其光学响应，实现光波前的调控。外界电信号的引入可以实现剪纸结构的连续弹性形变，借此实现对入射光的动态调制。

根据本发明又一种优选实施方式，提供一种基于纳米剪纸结构的出射光控制技术，第一种包含一块由纳米剪纸技术制备的超构表面，并附加外部电压驱动设备作为电信号输入模块，其中所设计的纳米剪纸结构作为调制单元排列在超构表面，单个结构单元的尺寸为例如1微米。当施加电信号后外部电场对纳米剪纸结构施加库仑力进而引发剪纸结构的弹性形变，改变剪纸结构的光学特性，实现对光波前的动态、可寻址调控。

具体地，第一步，依据所需要的光波前调制目标(位相、振幅、光学手性等)设计并加工所需的纳米剪纸结构。如图2所示，首先采用聚焦离子束或电子束曝光等微加工技术在纳米导电薄膜(例如金、铝等材料)上加工剪裁出一个预定的图案(并不限于图2的具体图案)。图2中所选取的纳米剪纸结构由四条曲线组成，且施加垂直加工平面的外界应力后整个图案形成扭曲形变最终使得中间部分圆盘结构在垂直于加工平面方向发生位移。

第二步，依据所设计的二维剪纸结构以及所需的光学调制目标在剪纸结构单元处施加外部电场。如图3所示，在纳米剪纸结构正上方施加透明电极102，并通过绝缘材料与加工面连接。通过施加外部电信号，本实例所采取的剪纸结构受到静电力的作用进而产生三维形变，其中，参见图4，圆盘结构随着电压信号的增加逐渐远离初始纳米薄膜平面，实现对纳米剪纸结构的形变调制。此时入射光垂直于加工平面，由于中心圆盘结构的高度不同，对反射光引入了不同的位相延迟，实现了对反射光的位相调制。最终通过施加外部信号实现对入射光位相的像素级连续动态调制。

第三步，参见图5，在纳米薄膜上加工多个纳米剪纸结构单元104，即可以由多个剪纸结构单元在纳米薄膜的表面上形成纳米剪纸结构阵列。在导电薄膜上加工多个纳米剪纸结构并附加外部电场，可以组成光波前调制阵列，并且通过改变输入电信号的大小可以实现对出射光波前的动态调制效果，且其调制效果包括但不限于出射光的振幅、位相、手性，所需调制效果可以由不同几何形状的剪纸结构所实现。

优选地，本实施例所采用的基于纳米剪纸结构的光电动态调制方法，能够通过改变外部输入信号实现对三维纳米剪纸结构的空间形变控制，进而实现对出射光波前的动态调制，可用于波前整形、信息加密、动态全息显示等领域。

根据本发明又一种优选实施方式，参见图4，选择的纳米剪纸结构单元104具有独特库仑力学性质，可实现可寻址的单像素光场调控信息动态改变。

根据本发明又一种优选实施方式，还提供了一种基于纳米剪纸超构表面101的光电动态调制方法，其特征在于包括以下步骤：

设计不同几何形状的纳米剪纸结构并加工在纳米薄膜上；

对剪纸结构施加外部信号，剪纸结构受到外界施加信号的作用引发空间三维形变；

纳米结构剪纸的空间形变导致其光学响应发生改变，实现对出射光的调制；

将纳米剪纸结构按预定的周期排列，得到波前调控阵列，通过外加电信号实现对出射光场的动态调控。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

首先，本发明选取纳米剪纸结构作为调制单元实现对光波前的像素化调控，像素尺寸缩小至微米乃至百纳米量级，提高了光波前调制结构阵列的空间带宽积；

其次，本发明通过施加外部电压信号实现纳米剪纸结构的三维形变，改变剪纸结构调制单元的光学响应性质，进而实现对出射光波前的动态修改，并且通过施加连续变化的电信号可以实现对出射光波前的连续调控，且可以实现调制状态的重复改变，调高调制器件的信息容量；

第三，本发明通过对纳米剪纸结构的周期排列以及外部驱动单元可以实现对入射光的像素级、可寻址型动态调制，其响应速度快，工作波段宽，易于集成化，可以为波前整形、数据传输、防伪技术、动态全息显示等提供新的发展方向。

虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其特征在于包括：

纳米剪纸超构表面，包括纳米导电薄膜以及在该纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元；

电压驱动单元，用于在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间施加电压以使纳米剪纸结构单元产生三维弹性形变；以及

电压调节单元，用于调节电压驱动单元的电压大小，实现光波前动态调制。

2.根据权利要求1所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其特征在于多个所述纳米剪纸结构单元在纳米导电薄膜上形成阵列。

3.根据权利要求2所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其特征在于所述纳米剪纸结构单元通过将纳米导电薄膜的预定区域加工剪裁掉预定图案部分形成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其特征在于入射光从纳米剪纸超构表面一侧入射，经过作为光学调制单元的纳米剪纸结构单元调制后从纳米剪纸超构表面反射。

5.根据权利要求3所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制系统，其特征在于预定图案部分包括交错排列的四段圆弧；优选地，在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间设置有四个支撑柱，通过该四个支撑柱所述纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极以预定间隔且彼此绝缘地布置。

6.一种基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法，其特征在于包括以下步骤：

在纳米导电薄膜上设置的纳米剪纸结构单元；

与纳米剪纸结构单元相对地设置透明电极，并在纳米剪纸结构单元与透明电极之间施加电压以使纳米剪纸结构单元产生三维弹性形变；

调节电压驱动单元的电压大小，实现光波前动态调制。

7.根据权利要求6所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法，其特征在于在纳米导电薄膜上设置纳米剪纸结构单元阵列。

8.根据权利要求7所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法，其特征在于通过将纳米导电薄膜的预定区域加工剪裁掉预定图案部分形成所述纳米剪纸结构单元。

9.根据权利要求6-8任一项所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法，其特征在于入射光从作为光学调制单元的纳米剪纸结构单元的一侧入射，经过调制后从纳米剪纸结构单元反射。

10.根据权利要求8所述的基于纳米剪纸超构表面的光电动态调制方法，其特征在于包括所述预定图案部分包括交错排列的四段圆弧；优选地，在纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极之间设置四个支撑柱，通过该四个支撑柱所述纳米剪纸结构单元与相对设置的透明电极以预定间隔且彼此绝缘地布置。

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