CN112782880B - 集成液晶与超颖表面的微型全息显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，属于微纳光学领域。本发明将超颖表面直接加工在改良后的基于液晶的空间光调制器的下基板上，使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中并作为相位积累的主要贡献者，在具备传统器件相同的光场可任意调节的功能外，器件尺寸更加超薄小巧，具备更大的视场角与分辨率。结合计算机全息生成算法，在该微型器件结构上施加特定的二维电压分布，使得局域的液晶分子偏转，改变纳米天线局部所处的折射率环境，从而实现对出射光场复振幅的调控，在微型化、紧凑型的光学系统中呈现高效动态的全息显示功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，属于微纳光学领域。
背景技术
超颖表面是由亚波长尺寸的金属或电介质纳米天线构成的二维阵列。通过对纳米天线进行优化设计，超颖表面上的每个像素单元都可以在两介质的分界面引入相位突变，使得入射电磁波被施加上任意的相位分布。传统的光学器件多是依靠光程来产生相位积累，对器件的厚度有要求。相比之下，超颖表面具有超薄和极强的光场操纵能力等优点，可以对光波的基础特性进行整形，例如波长，相位，偏振态等等，基于此，研究人员们已经开展并实现了异常折射，超透镜，结构光场生成等众多有意义的理论与实验研究。
动态可调超颖表面能够在制备完成后可控地输出不同信息，而不是仅仅只输出单一的信息量，是超颖表面研究的一个重要分支。基于动态可调超颖表面的动态全息显示是近些年的研究热点，实现动态全息显示的方法众多，包括超颖表面的空间交错复用，入射光的偏振态、入射角度和波长复用，利用微机电系统，或是利用在外部激励下可重构的材料。在此方面，实现全息图更多再现数量与更快的全息切换速度是研究学者们的诉求。
在光学频段，锗锡锑、二氧化钒和液晶是纳米光学器件中常用的可调谐材料。其中具有双折射和局域电可调特性的液晶在其分子不同偏转角度的设置下可以构成不同的环境折射率。目前液晶与金属超颖表面、电介质超颖表面相结合的工作分别基于等离激元共振或是米氏共振原理，多集中于连续共振调谐和相位调制这两个研究方向。并且液晶层都是整层施加电压，其中的液晶分子全部偏转到同一个方向，使得液晶层只起到偏振片或是光阀的简单功能。近几年来有一些研究工作通过在液晶区域施加一维方向条带状分布的电压，实现了异常折射的功能。在此方面，将与超颖表面结合的液晶器件实现二维平面的控制还是十分具有挑战性的，即将传统的空间光调制器与超颖表面相结合，改良后实现对传统光学器件的全面革新。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成液晶与超颖表面的微型全息显示器。该器件将超颖表面直接加工在改良后的基于液晶的空间光调制器的下基板上，使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中并作为相位积累的主要贡献者，在具备传统器件相同的光场可任意调节的功能外，器件尺寸更加超薄小巧，具备更大的视场角与分辨率。结合计算机全息生成算法，在该微型器件结构上施加特定的二维电压分布，使得局域的液晶分子偏转，改变纳米天线局部所处的折射率环境，从而实现对出射光场复振幅的调控，在微型化、紧凑型的光学系统中呈现高效动态的全息显示功能。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器的结构中，超颖表面为透射式，工作在可见光波段，故纳米天线选用低损耗的电介质二氧化钛材料构成，需根据特定的工作情况选择合适的材料；动态材料为向列相液晶，在外加电压下可以实现其指向矢的偏转角度调制。
根据所采用的计算全息算法，确定液晶朝向组合和微型全息显示器的参数。以最为简单的二值相位全息为例，由于全息图上的相位只有两个值，所以在该情况下需使微型全息显示器的单元结构在液晶的两个不同偏转角度下满足均一透射强度与π的相位差。若为避免二值全息算法带来的共轭像干扰，可在该微型全息显示器中引入多值相位全息图，挑选多个液晶朝向进行组合，并筛选出满足均一振幅与相应相位差值的器件参数。随后在二维平面上区域性控制施加在每个单元结构上的电压值，致使入射光场的复振幅得到对应调制，实现任意多张全息图的动态再现功能。
集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，将超颖表面直接加工在基于液晶的空间光调制器的下基板上，即使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中，形成二维电压调控；使得空间光调制器实现更小体积、更大视场角与高分辨率。
所述微型全息显示器通过下述步骤确定，其中涉及的仿真部分可由基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD、基于有限元方法的COMSOL和商业数学软件MATLAB实现；
步骤一：确定微型全息显示器的基本参数；
(1)确定纳米天线阵列和液晶的参数；
天线参数包括：材料、形状、特征自变量、像素周期和天线的初始高度；
液晶的参数包括：种类、初始取向和液晶层的初始厚度；
天线的材料：根据微型全息显示器的工作波长确定，选择在所确定工作波长下损耗小的材料以确保器件的高效率；例如在可见光波段常用材料为二氧化钛，在近红外波段常用材料为非晶硅；
天线的形状：天线的水平横截面应满足C4对称，即所选形状的水平横截面是具有四重对称轴的简单形状，例如圆柱体；
天线的特征变量：确定天线的形状后，不同形状对应不同的特征变量，例如圆柱体对应的特征变量为半径，截面为正方形的立方体对应的特征变量为边长；
天线的像素周期：固定像素周期P，使P满足亚波长尺寸；
天线的初始高度：固定天线的初始高度H，根据具体加工能力确定；
液晶的种类：正型和负型均可，尽量选择双折射率值大的液晶型号；
液晶的初始取向：初始取向满足液晶分子的指向矢平行于x轴；
液晶层的初始厚度：固定液晶层的初始厚度h，根据具体加工能力确定；
(2)确定液晶朝向组合；
依据全息算法，液晶朝向组合的确定方法为：计算机算法得到的全息图可简单分为二值相位全息图和多值相位全息图，即一张全息图由不同数量的相位值构成，不同相位值的数量也称为相位全息图的阶数。若为二值相位全息图，全息图中仅含有两个相位值，阶数为2；根据相位全息图的阶数n，将90度等间距分成n个值，确定液晶朝向组合中的角度值；例如四阶相位全息图对应四个不同的液晶朝向角度，可等间距分为0度、30度、60度和90度，以此确定液晶朝向组合。
步骤二：确定微型全息显示器的单元结构参数；
微型全息显示器像素周期与步骤一确定的天线的像素周期相同；每个像素周期称为一个单元结构；微型全息显示器的单元结构与传统液晶空间光调制器的单个像素结构相似但有所改良，相似点体现在均为在上下电极基板中填充液晶，不同点体现在微型全息显示器的下电极基板上存在超颖表面的纳米天线；
微型全息显示器单元结构参数的确定通过下述步骤实现，
(1)参数扫描：对步骤一中基本参数确定的微型全息显示器的单元结构进行扫描仿真，将液晶朝向组合中的角度值作为自变量A，将天线的特征变量作为自变量B；在不同的自变量A下，入射工作波长为λ的x偏振光，扫描自变量B，获取天线特征变量的改变对同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx的影响；例如，液晶朝向组合中有4个角度值，分别为A1、A2，A3，A4，天线为特征变量为边长的立方体，扫描过程为首先固定微型全息显示器单元结构中的液晶朝向角度为A1，在该角度下遍历所有的边长尺寸并记录探测的数据结果；之后将液晶朝向角度依次更换为A2、A3、A4，重复上述遍历过程，直至获得A1至A4朝向下的同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx能达到的所有值；
(2)结构筛选：汇总参数扫描后得到的不同液晶朝向下同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx能达到的所有值，从中筛选出天线的特征变量，即确定自变量B；筛选条件：在液晶不同的朝向设置下，需同时满足1)透过单元结构的同偏振方向出射光场的相位呈现和相位全息图中一样n阶梯度变化，相位间隔与(2π/n)的差值最小；2)透过单元结构的同偏振方向出射光场的透射率彼此间差值不超过0.15；
若筛选不到满足条件的天线特征变量，则将天线的初始高度、液晶层的初始厚度、微型显示器的像素周期大小或工作波长进行微调后，重复进行参数扫描与结构筛选，重直至筛选出满足条件的自变量B；
步骤三：确定微型全息显示器中液晶层朝向的二维排布；
微型全息显示器中液晶层的旋转角度由二维分布的外加电压进行控制；单个像素区域内液晶分子的朝向角度改变会使得该区域纳米天线所处的环境折射率变化，继而改变入射光场经过该区域后的复振幅调制量，故液晶层朝向与相位之间存在对应关系；
该步骤中，需借助步骤二中满足筛选条件的扫描结果，即液晶的每个朝向设置下得到的相位都对应全息图中的某一阶相位值，将计算机全息算法生成的梯度相位全息图上的相位值与液晶的朝向角度逐个像素地匹配，构成最终液晶层朝向的二维排布。
集成液晶与超颖表面的微型全息显示器具备动态全息显示功能，该功能通过下述步骤实现，
(1)确定外加电压的二维分布：根据液晶层朝向的二维排布，由电压和液晶指向矢之间的响应关系得到外加电压的二维分布；不同型号的液晶对电压具有不同的响应，进行实验前期测得响应关系；
(2)利用现有硅基电路技术将对应特定全息图的二维电压分布加载到微型显示器的上下电极基板上，使得每个像素的出射光场都得到特定的复振幅调制，在期望的工作波长入射下便得到全息图的远场再现像；
(3)利用电路控制，不断改变电压的二维分布，则可以再现出任意多张全息图像，从而实现传统空间光调制器的动态全息显示功能。
有益效果：
1、本发明公开的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器较传统空间光调制器具有更大视场角与更高分辨率，可以在一定场景下替代传统器件，从而将其更优的功能应用在微型化、紧凑型的光学系统中，实现高速便捷的灵活光场整形与动态全息显示，或作为加密密钥应用在光学加密等方面。
2、本发明公开的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器可结合现有的计算机生成全息算法，将二值相位或者多值相位分布的全息图转化为不同的二维电压分布并加载到微型全息显示器上，实现液晶分子取向与出射光场复振幅的二维调制，灵活且切换速度高。
3、本发明公开的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器基于现有的硅基电路板，易于实现与传统光学器件集成或功能替代，有望通过纳米压印等技术进行大规模生产，集成于智能手机和其余微型显示器件中，或是发挥微型光场调控元件的作用。
4、利用电路控制，不断改变电压的二维分布，能够再现出任意多张全息图像，从而实现传统空间光调制器的动态全息显示功能，与此同时具有更小体积与更大的视场角与分辨率；该显示器可用作特定场合的微型阵列全息动画展示和光学加密等方面。
附图说明
图1是本发明中微型全息显示器的结构实现流程图；
图2是本发明中超颖表面上单周期纳米天线的示意图；
图3是本发明中微型全息显示器不同液晶朝向下单元结构的示意图；
图4为本发明中微型全息显示器于工作波长665nm，不同液晶朝向下的遍历特征变量的扫描结果图；其中，图a为透射系数Txx与半径之间关系的扫描结果图；图b为相位Ψxx与半径之间关系的扫描结果图；
图5是利用本发明中的微型全息显示器实现动态全息显示的仿真实例；其中，图a为在MATLAB仿真中的全息再现结果；图b为在FDTD仿真中的全息远场再现结果。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明；
实施例1
基于二值相位全息算法，集成液晶与超颖表面的微型全息显示器的整体实现与动态全息显示功能的实现
微型全息显示器的整体实现；
本发明中微型全息显示器的结构实现流程如图1所示；
步骤一：确定微型全息显示器的基本参数；
(1)确定纳米天线阵列和液晶的参数；
天线参数包括：材料、形状、特征自变量、像素周期和天线的初始高度；
天线的材料：工作波长处于可见光波段，故天线材料为二氧化钛；
天线的形状：圆柱形；
天线的特征变量：半径R；
天线的像素周期：固定像素周期P为360nm；
天线的初始高度：固定天线的初始高度H为205nm；
液晶的参数包括：种类、初始取向和液晶层的初始厚度；
液晶的种类：正型E7；
液晶的初始取向：液晶分子的指向矢平行于x轴；
液晶层的初始厚度：固定液晶层的初始厚度h为1500nm；
本发明中超颖表面上单周期纳米天线的示意图如图2所示；
(2)根据相位全息算法，确定液晶朝向组合；
基于二值相位全息图，液晶朝向组合为0度和90度。
步骤二：确定微型全息显示器的单元结构参数；
微型全息显示器像素周期与步骤一确定的天线的像素周期相同；每个像素周期称为一个单元结构；单元结构的上下电极基板中填充液晶，下电极基板上存在超颖表面的纳米天线；不同液晶朝向下单元结构的示意图如图3所示；
微型全息显示器单元结构参数的确定通过下述步骤实现，
(1)参数扫描：参数扫描时的单元结构的仿真在不同液晶朝向下的设置如图3所示；液晶朝向由步骤二确定，包含0度和90度；入射工作波长为665nm的x偏振光，在液晶朝向角度为0度时遍历所有的半径尺寸R并记录探测的出射同偏振方向的复振幅
之后将液晶朝向角度更换为90度，遍历所有的半径尺寸R并记录探测的出射同偏振方向的的复振幅
对得到的复振幅进行数据处理，得到透射系数Txx和被归到-π到π的范围内的相位Ψxx的分布；0度和90度的液晶朝向下的遍历特征变量的扫描结果如图4所示；其中，图a为透射系数Txx与半径之间关系的扫描结果图；图b为相位Ψxx与半径之间关系的扫描结果图；；
(2)结构筛选：筛选条件：在液晶不同的朝向设置下，需同时满足1)透过单元结构的同偏振方向出射光场的相位呈现和相位全息图中一样n阶梯度变化，相位间隔与(2π/n)的差值最小；2)透过单元结构的同偏振方向出射光场的透射率彼此间差值不超过0.15；
由步骤二(1)中扫描得到的复振幅数据可以筛选满足条件的圆柱体的半径为140nm。此时1)相位在0度和90度的液晶朝向下分别为2.46rad与-0.75rad，相位间隔约为1.02π，与π的差值最小(n＝2)，2)透射系数在0度和90度的液晶朝向下分别为0.83和0.96，彼此间差值不超过0.15；
步骤三：确定微型全息显示器中液晶层朝向的二维排布；
步骤二中得到的液晶朝向与相位的对应关系为0度对应2.46rad，90度对应-0.75rad；依据此对应关系，将计算机全息算法生成的二值相位全息图上的相位值与液晶的两个朝向角度逐个像素地匹配，即构成最终液晶层朝向的二维排布。
微型全息显示器的动态全息显示功能的实现；
微型全息显示器可以同传统空间光调制器一样加载任意多张二维的电压分布，相当于改变了其内部液晶层朝向的二维排布，致使入射光在通过微型全息显示器后施加了不同的相位分布，从而实现可切换的全息再现显示；
在一个像素周期的区域范围内，液晶分子的指向矢在外界电压控制下可以实现不同角度的偏转，改变浸入在其中的超颖表面周围的环境折射率，从而改变出射光场的复振幅，这是微型全息显示器的主要工作原理；
本实施例中，液晶分子的取向为0度和90度时分别对应于未施加电压和施加低于击穿电压值的情况，利用本发明中的微型全息显示器实现动态全息显示的仿真实例如图5所示其中，图a为在MATLAB仿真中的全息再现结果；图b为在FDTD仿真中的全息远场再现结果；采用MATLAB与FDTD两款软件，先后在微型全息显示器上施加四种不同的二维电场分布，分别对其内部液晶层的二维朝向分布进行仿真，得到同偏振出射光场的复振幅进行远场全息再现，最终相继得到了4张全息再现图，展示了植物从种子到开花的生长过程；
本实施例中涉及的仿真部分由基于时域有限差分方法的FDTD软件和商业数学软件MATLAB实现；
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，其特征在于：将超颖表面直接加工在基于液晶的空间光调制器的下基板上，即使得纳米天线阵列直接沉浸在液晶中，形成二维电压调控；使得空间光调制器实现更小体积、更大视场角与高分辨率；
所述微型全息显示器结构通过下述步骤确定：
步骤一、根据使用需求确定纳米天线阵列和液晶的参数；
天线参数包括：材料、形状、特征变量、像素周期和天线初始高度；
液晶参数包括：种类、初始取向和液晶层的初始厚度；
根据全息算法确定液晶朝向组合；
步骤二、确定微型全息显示器的单元结构参数；
微型全息显示器的像素周期与步骤一确定的天线的像素周期相同；每个像素周期称为一个单元结构；
对步骤一中基本参数确定的微型全息显示器的单元结构进行扫描仿真，将液晶朝向组合中的角度值作为自变量A，将天线的特征变量作为自变量B；在不同的自变量A下，入射工作波长为λ的x偏振光，扫描天线特征变量的改变对同偏振方向出射光场的相位Ψxx以及透射系数Txx的影响；
对扫描结果进行汇总，筛选出天线的特征变量，即确定自变量B；筛选条件：在液晶不同的朝向设置下，需同时满足1)透过单元结构的同偏振方向出射光场的相位呈现和相位全息图中一样n阶梯度变化，相位间隔与(2π/n)的差值最小；2)透过单元结构的同偏振方向出射光场的透射率彼此间差值不超过0.15；
若步骤二中无法得到满足筛选条件的天线的特征变量，则将天线的初始高度、液晶层的初始厚度、微型显示器的像素周期大小或工作波长进行微调后，重复步骤二，重新进行扫描，直至筛选出满足条件的自变量B；
步骤三：确定微型全息显示器中液晶层朝向的二维排布；
将计算机全息算法生成的梯度相位全息图上的相位值与步骤二中的满足筛选条件的扫描结果相对应，即液晶的每个朝向设置都对应全息图中的某一阶相位值；随后逐个像素地匹配液晶的朝向角度与相位值，构成最终液晶层朝向的二维排布；
所述天线的材料是根据微型全息显示器的工作波长确定的，选择在所确定工作波长下损耗小的材料以确保器件的高效率；
天线的像素周期：固定像素周期P，使P满足亚波长尺寸；
天线的初始高度：固定天线的初始高度H，根据具体加工能力确定；
液晶的初始取向：初始取向满足液晶分子的指向矢平行于x轴；
液晶层的初始厚度：固定液晶层的初始厚度h，根据具体加工能力确定。
2.如权利要求1所述的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，其特征在于：确定液晶朝向组合的方法为：计算机算法得到的全息图可简单分为二值相位全息图和多值相位全息图，即一张全息图由不同数量的相位值构成，不同相位值的数量也称为相位全息图的阶数；若为二值相位全息图，全息图中仅含有两个相位值，阶数为2；根据相位全息图的阶数n，将90度等间距分成n个值，确定液晶朝向组合中的角度值。
3.如权利要求1所述的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器，其特征在于：四阶相位全息图对应四个不同的液晶朝向角度，可等间距分为0度、30度、60度和90度，以此确定液晶朝向组合。
4.采用如权利要求1所述的集成液晶与超颖表面的微型全息显示器实现动态全息显示功能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)确定外加电压的二维分布：根据步骤三中得到的液晶层朝向的二维排布，由电压和液晶指向矢之间的响应关系得到外加电压的二维分布；不同型号的液晶对电压具有不同的响应，实验前期测得响应关系；
(2)利用现有硅基电路技术将(1)中得到的对应特定全息图的二维电压分布加载到微型显示器的上下电极基板上，使得每个像素的出射光场都得到特定的复振幅调制，在期望的工作波长入射下便得到全息图的远场再现像；
(3)利用电路控制，不断改变电压的二维分布，则可以再现出任意多张全息图像，从而实现传统空间光调制器的动态全息显示功能。
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