CN117192662A - 一种全透射动态空间光场相位调控器件及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种全透射动态空间光场相位调控器件及调控方法，其中，该器件包括：介质基底层、混合共振单元阵列和介质覆盖层；介质覆盖层覆盖混合共振单元阵列，混合共振单元阵列在介质基底层上；混合共振单元阵列由混合共振单元呈二维周期阵列排布，混合共振单元阵列的阵列周期是亚波长尺寸；每个混合共振单元由四个混合共振主体组成，四个混合共振主体在混合共振单元内呈中心对称排列；混合共振主体由内嵌于相变材料微结构的介质结构主体组成，相变材料微结构的工作波段无吸收，介质结构主体的工作波段无吸收。本申请可以解决色散不匹配和模式质量因子不一致导致的透射率下降问题，使得相位调控更加高效、准确。
Description
技术领域
本发明涉及空间光信息调控技术领域，更具体地，涉及一种全透射动态空间光场相位调控器件及调控方法。
背景技术
现有技术的全透射动态空间光场相位调控器件，因其可以最大程度保证调控器件的效率，而受到广泛关注，但是，传统动态惠更斯空间光调制器在调制过程中通常会面临着电偶极子和磁偶极子移频不一致的问题，这使得调控过程中的精度会受到影响，会带来一定的器件性能损失，同时液晶调制器件体积通常较大，难以集成。调控速率也大打折扣，严重影响使用。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种全透射动态空间光场相位调控器件及调控方法，可以解决色散不匹配和模式质量因子不一致导致的透射率下降问题，有效地降低了空间光场调控的分辨率，使得相位调控更加高效、准确。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种全透射动态空间光场相位调控器件，所述相位调控器件自下而上依次包括：
介质基底层、混合共振单元阵列和介质覆盖层；
所述介质覆盖层覆盖所述混合共振单元阵列，所述混合共振单元阵列在所述介质基底层上；
所述混合共振单元阵列由混合共振单元呈二维周期阵列排布，所述混合共振单元阵列的阵列周期是亚波长尺寸；
每个混合共振单元由四个混合共振主体组成，四个所述混合共振主体在所述混合共振单元内呈中心对称排列；
所述混合共振主体由内嵌于相变材料微结构的介质结构主体组成，所述相变材料微结构的工作波段无吸收，所述介质结构主体的工作波段无吸收。
在上述实现过程中，通过由混合共振单元呈二维周期阵列排布的混合共振单元阵列，并根据四个混合共振单元中心对称排列的调控器件结构实现相位调控，可以解决色散不匹配和模式质量因子不一致导致的透射率下降问题，有效地降低了空间光场调控的分辨率，使得相位调控更加高效、准确。
在其中一个实施例中，所述混合共振单元的形状为长方体，所述混合共振单元在入射光垂直平面内呈二维周期阵列排布，且所述混合共振单元的上表面和下表面分别垂直于入射光方向。二维周期阵列排布的排布方式可以降低分辨率，提高入射光色散匹配度。
在其中一个实施例中，四个所述混合共振主体分布于所述混合共振单元内，四个所述混合共振主体在所述入射光垂直平面上呈两排、两列分布，且在所述混合共振单元内呈中心对称。混合共振主体在入射光垂直平面上呈两排、两列分布，能够提高避免透射率下降的问题。
在其中一个实施例中，每个所述混合共振主体在所述入射光垂直平面上存在一个长轴，每个所述混合共振主体在长轴方向上的结构尺寸最大。混合共振主体在入射光垂直平面上的长轴方向上的结构尺寸最大，使得混合共振主体便于排布。
在其中一个实施例中，每个所述混合共振主体的长轴与所述混合共振单元的形心共平面，所述平面与所述入射光垂直平面平行。混合共振主体的长轴与混合共振单元的形心共平面，可以提高入射光的透射率。
在其中一个实施例中，四个所述混合共振主体形状相同，包括椭圆柱结构、长方体结构、拓扑柱状结构。混合共振主体的形状相同，可以使得混合共振单元阵列的结构更加稳定。
在其中一个实施例中，所述介质基底层的折射率与所述介质覆盖层的折射率相同。介质基底层的折射率与介质覆盖层的折射率相同可以提高透射率。
在其中一个实施例中，所述介质基底层的厚度大于目标波长。介质基底层的厚度大于目标波长可以保证介质基底层不易发生折射。
在其中一个实施例中，所述介质覆盖层覆盖所述混合共振主体，所述介质覆盖层上表面平整。
在其中一个实施例中，所述介质结构主体的内嵌方式可为被包含或夹层。被包含或夹层的内嵌方式可以使得介质结构主体更加稳定。
在其中一个实施例中，所述相变材料微结构与所述介质结构主体共长轴且共形心。相变材料微结构与介质结构主体共长轴且共形心加强了器件制造和调制的鲁棒性。
在其中一个实施例中，所述相变材料微结构由目标波段透明的相变材料组成，包括硫化碲、硒化锑、锗锑碲、锗碲硒、氧化钒。相变材料微结构为体积较小的相变材料，可以实现较好的器件性能。
在其中一个实施例中，所述相变材料微结构为拓扑形状，包括椭球、椭圆柱结构、方柱结构。利用无吸收的相变材料，可以有效地解决集成光场调制的带宽限制的问题。
本发明还提供一种全透射动态空间光场相位调控器件的相位调控方法，用于调控如以上所述的相位调控器件，所述方法包括：
所述目标波长附近入射光场在所述混合共振单元中，激发连续域准电束缚态和连续域准磁束缚态共振模式，所述连续域准电束缚态和所述连续域准磁束缚态共振模式的中心波长随所述相变材料微结构的相变而偏移，且移频幅度相同，实现所述相位调控器件在动态范围内的全透射宽带相位调制。
在上述实现过程中，通过由混合共振单元呈二维周期阵列排布的混合共振单元阵列，并根据四个混合共振单元中心对称排列的调控器件结构实现相位调控，可以解决色散不匹配和模式质量因子不一致导致的透射率下降问题，有效地降低了空间光场调控的分辨率，使得相位调控更加高效、准确。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种全透射动态空间光场相位调控器件及调控方法，利用亚波长尺度的介质微结构在目标波段的电磁场共振作为光场调控的来源，有效地降低了空间光场调控的分辨率，解决了传统液晶空间光场调控器件的调制分辨率问题。同时，本申请实施例引入了目标波段低损耗的硫系相变材料作为动态响应的来源，结合混合共振主体超表面设计，在实现透射光场相位调控的同时，有效的保证了器件的透射率以及工作带宽，降低了调制器件损耗，解决了当前集成光场调控技术的效率及带宽问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的全透射动态空间光场相位调控器件的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的混合共振单元的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的透射振幅及相位随动态混合共振主体结构的材料相态的变化示意图。
图4是本发明实施例提供超构表面的宽谱相位调制效果及透射效率示意图。
附图标记：1、介质基底层；2、混合共振单元阵列；21、混合共振单元；211、混合共振主体；2111、相变材料微结构；2112、介质结构主体；3、介质覆盖层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。下面结合具体实施方式对本发明作在其中一个实施例中说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。
实施例1：
本申请实施例提供一种全透射动态空间光场相位调控器件，如图1所示，该器件包括：
介质基底层1、混合共振单元阵列2和介质覆盖层3；
介质覆盖层3覆盖混合共振单元阵列2，混合共振单元阵列2在介质基底层1上；
混合共振单元阵列2由混合共振单元21呈二维周期阵列排布，混合共振单元阵列2的阵列周期是亚波长尺寸；
如图2所示，每个混合共振单元21由四个混合共振主体211组成，四个混合共振主体211在混合共振单元21内呈中心对称排列；
混合共振主体211由内嵌于相变材料微结构2111的介质结构主体2112组成，相变材料微结构2111的工作波段无吸收，介质结构主体2112的工作波段无吸收。
在上述实现过程中，通过由混合共振单元21呈二维周期阵列排布的混合共振单元阵列2，并根据四个混合共振单元21中心对称排列的调控器件结构实现相位调控，可以解决色散不匹配和模式质量因子不一致导致的透射率下降问题，有效地降低了空间光场调控的分辨率，使得相位调控更加高效、准确。
本申请实施例利用亚波长尺度的介质微结构在目标波段的电磁场共振作为光场调控的来源，有效地降低了空间光场调控的分辨率，解决了传统液晶空间光场调控器件的调制分辨率问题。同时，本申请实施例引入了目标波段低损耗的硫系相变材料作为动态响应的来源，结合混合共振主体211超表面设计，在实现透射光场相位调控的同时，有效的保证了器件的透射率以及工作带宽，降低了调制器件损耗，解决了当前集成光场调控技术的效率及带宽问题。
介质基底层1由目标波段低折射率、低吸收介质材料组成，包括石英玻璃、氮化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪中的任意一种，介质基底层1的厚度大于目标波长。并且，介质基底层1的折射率与介质覆盖层3的折射率相同。低折射率、低吸收介质材料，可以保证介质基底层1不易发生折射。
本申请实施例中的目标波段为中心波长在1550nm附近的近红外波段，介质基底层1材料为石英玻璃，厚度为500um。
混合共振单元21的形状为长方体，混合共振单元21在入射光垂直平面内呈二维周期阵列排布，且混合共振单元21的上表面和下表面分别垂直于入射光方向。
本申请实施例的混合共振主体211能在使用体积较小的相变材料的基础上实现较好的器件性能，加强了器件制造和调制的鲁棒性。
四个混合共振主体211分布于混合共振单元21内，四个混合共振主体211在入射光垂直平面上呈两排、两列分布，且在混合共振单元21内呈中心对称。四个混合共振主体211形状相同，包括椭圆柱结构、长方体结构、拓扑柱状结构。
每个混合共振主体211在入射光垂直平面上存在一个长轴，每个混合共振主体211在长轴方向上的结构尺寸最大。
每个混合共振主体211的长轴与混合共振单元21的形心共平面，平面与入射光垂直平面平行。
示例性地，本申请实施例中混合共振单元21的长轴周期为1452nm，短轴周期为825nm，混合共振主体211为椭圆柱，椭圆柱长轴长度为580nm，椭圆柱短轴长度为187.5nm，厚度为475nm，分别分布在混合共振单元212的四个方位，与第一轴的锐角夹角为7.5°，呈中心对称分布。
介质结构主体2112的内嵌方式可为被包含或夹层，介质结构主体2112由无吸收的材料组成，包括但不限于硅、氮化硅、氧化硅。本申请实施例中介质结构主体2112由硅构成。
相变材料微结构2111与介质结构主体2112共长轴且共形心。相变材料微结构2111由目标波段透明的相变材料组成，包括硫化碲、硒化锑、锗锑碲、锗碲硒、氧化钒。相变材料微结构2111为拓扑形状，包括椭球、椭圆柱结构、方柱结构。
利用无吸收的相变材料组成相变共振主体结构，可以有效地解决集成光场调制的带宽限制的问题。
示例性地，本申请实施例中相变材料微结构2111为椭圆柱结构，厚度为100nm，椭圆长轴495nm，短轴长度为162nm，相变材料微结构2111的中心与介质结构主体2112的中心重合，相变材料微结构2111的长轴与介质结构主体2112的长轴重合。
本申请实施例中相变材料微结构2111由硫化锑构成。
介质覆盖层3在目标波长附近折射率与介质基底类似或相同，上表面需距混合共振主体211上表面半个波长以上，且介质覆盖层3上表面保持平整。
在上述实现过程中，介质覆盖层3的目标波长附近折射率与介质基底类似或相同，保证了混合共振主体211周围的介质环境类似，更好地束缚电场产生共振。
示例性地，本申请实施例中介质覆盖层3的材料为固化的HSQ，距混合共振单元21上表面1um。
实施例2
本实施例其他结构与实施例1相同，在本实施例中，混合共振单元21沿第一轴轴对称，或混合共振单元21沿第二轴轴对称，或混合共振单元21沿第一轴和第二轴分别轴对称，第一轴和第二轴垂直，第一轴沿混合共振单元21长边方向，第二轴沿混合共振单元21短边方向，第一轴和第二轴分别与混合共振单元21的高度方向垂直。
实施例3
本申请实施例提供了一种全透射动态空间光场相位调控器件的调控方法，用于调控实施例1的全透射动态空间光场相位调控器件，该方法包括：
目标波长附近入射光场在混合共振单元21中，激发连续域准电束缚态和连续域准磁束缚态共振模式，连续域准电束缚态和连续域准磁束缚态共振模式的中心波长随相变材料微结构2111的相变而偏移，且移频幅度相同，实现相位调控器件在动态范围内的全透射宽带相位调制。
本申请中，质量因子近似的连续域准电束缚态和连续域准磁束缚态共振模式，两个模式的重叠满足惠更斯条件，可以实现高透过率和相位突变，有效的消除了器件的高阶衍射，保证了器件的调制效率。
在外部电信号作用下，两个共振模式同时产生共振偏移，产生透射光场相位调控。偏移过程中，两共振模式始终保持共振强度接近，满足惠更斯条件，因此器件始终保持高透过率，最终实现对透射光场的纯相位调控。目标波长位置处，透射振幅及相位随动态混合共振主体211结构的材料相态的变化如图3所示。
超构表面器件电磁响应与混合共振单元21的结构相关。目标波段入射电磁场激发超构表面动态混合共振主体211结构米氏共振模式。在外部激励作用下，混合共振主体211结构相变引起的折射率变化导致共振模式散射场发生改变，进而改变超构表面电磁响应。
此外，得益相变材料巨大的折射率差异，相变过程中超构表面支持的混合共振模式经历巨大的光谱偏移。同时由于混合共振主体211中相变材料的特定分布，共振模式偏移过程中始终保持模式对称，也即构建了宽谱可实现的极端惠更斯超构表面，进而实现宽谱纯相位调制。超构表面的宽谱相位调制效果及透射效率如图4所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，所述相位调控器件自下而上依次包括：
介质基底层(1)、混合共振单元阵列(2)和介质覆盖层(3)；
所述介质覆盖层(3)覆盖所述混合共振单元阵列(2)，所述混合共振单元阵列(2)在所述介质基底层(1)上；
所述混合共振单元阵列(2)由混合共振单元(21)呈二维周期阵列排布，所述混合共振单元阵列(2)的阵列周期是亚波长尺寸；
每个混合共振单元(21)由四个混合共振主体(211)组成，四个所述混合共振主体(211)在所述混合共振单元(21)内呈中心对称排列；
所述混合共振主体(211)由内嵌于相变材料微结构(2111)的介质结构主体(2112)组成，所述相变材料微结构(2111)的工作波段无吸收，所述介质结构主体(2112)的工作波段无吸收。
2.根据权利要求1所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，所述混合共振单元(21)的形状为长方体，所述混合共振单元(21)在入射光垂直平面内呈二维周期阵列排布，且所述混合共振单元(21)的上表面和下表面分别垂直于入射光方向。
3.根据权利要求2所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，四个所述混合共振主体(211)分布于所述混合共振单元(21)内，四个所述混合共振主体(211)在所述入射光垂直平面上呈两排、两列分布，且在所述混合共振单元(21)内呈中心对称。
4.根据权利要求3所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，每个所述混合共振主体(211)在所述入射光垂直平面上存在一个长轴，每个所述混合共振主体(211)在长轴方向上的结构尺寸最大。
5.根据权利要求4所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，每个所述混合共振主体(211)的长轴与所述混合共振单元(21)的形心共平面，所述平面与所述入射光垂直平面平行。
6.根据权利要求4所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，四个所述混合共振主体(211)形状相同，包括椭圆柱结构、长方体结构、拓扑柱状结构。
7.根据权利要求1至6任一项所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，所述介质基底层(1)的折射率与所述介质覆盖层(3)的折射率相同；所述介质基底层(1)的厚度大于目标波长；所述介质覆盖层(3)覆盖所述混合共振主体(211)，所述介质覆盖层(3)上表面平整；所述介质结构主体(2112)的内嵌方式为被包含或夹层。
8.根据权利要求1至6任一项所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，所述相变材料微结构(2111)与所述介质结构主体(2112)共长轴且共形心。
9.根据权利要求1至6任一项所述的全透射动态空间光场相位调控器件，其特征在于，所述相变材料微结构(2111)由目标波段透明的相变材料组成，包括硫化碲、硒化锑、锗锑碲、锗碲硒、氧化钒；所述相变材料微结构(2111)为拓扑形状，包括椭球、椭圆柱结构、方柱结构。
10.一种全透射动态空间光场相位调控器件的相位调控方法，其特征在于，用于权利要求1至9任意一项的相位调控器件，所述目标波长附近入射光场在所述混合共振单元(21)中，激发连续域准电束缚态和连续域准磁束缚态共振模式，所述连续域准电束缚态和所述连续域准磁束缚态共振模式的中心波长随所述相变材料微结构(2111)的相变而偏移，且移频幅度相同，实现所述相位调控器件在动态范围内的全透射宽带相位调制。
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- 2023-08-14 CN CN202311024014.2A patent/CN117192662A/zh active Pending
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