一种可见光波段反射式超表面器件及反射光波长调制方法

摘要

本发明公开了一种可见光波段反射式超表面器件及反射光波长调制方法，该器件由上至下依次包括天线单元周期排布的金属超表面层、电光材料构成的调制层、金属反射层和基底层；所述天线单元的周期小于入射光波长，厚度大于金属的趋肤深度，小于等于100nm；所述调制层的厚度小于入射光波长；所述金属反射层厚度大于金属的趋肤深度，小于入射光波长；外接电压源可以调制反射光的颜色，能够实现可见光波段反射光颜色的电压调制。本发明具有响应带宽窄、极化转移效率高、颜色可调节范围大等优点；对超分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像技术，特别是涉及一种可见光波段反射式超表面器件及反射光波长调制方法。

背景技术

超表面是一类能够使一束光在自由空间波长范围内产生相位、振幅及偏振突变效应的超薄平面光学元件。它是由超材料结构单元组成的一种二维阵列，将其应用于电磁波传播的过程中，作为两种介质之间的分界面，遵循广义斯涅耳定理，可以实现波束的极化、相位和振幅调制，具有强大的电磁波调控能力。

传统相位型衍射光学器件通过改变自身厚度调制光场，使得器件的尺寸、重量很大。超表面结构器件每个结构的单元尺寸和间距远远小于波长，其对波长的调控尺度突破了原有光学器件的衍射极限。为了增强对电磁波的调控能力，可调控的超表面也应运而生。在光学成像向集成化和显示器件轻量化的今天，超表面所具有的超强的电磁波调控特性，显示出巨大的潜在应用价值。

目前已有文献均局限于红外波段的可调谐超表面器件设计，至今尚未有可见光波段的可调谐超表面器件设计的报道，更没有具备窄带宽特性、可调谐彩色显示方面的应用。主要原因是响应在可见光波段的超表面结构尺寸很小，蓝绿波段的吸收能量较大，难以在较低的电压条件下实现颜色调制。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种可见光波段的可调谐反射式超表面器件，及彩色微显示装置和通过改变加载电压实现反射波长调制的方法。

技术方案：本发明的一种可见光波段反射式超表面器件，该器件由上至下依次包括天线单元周期排布的金属超表面层、电光材料构成的调制层、金属反射层和基底层；所述天线单元的周期小于入射光波长，厚度大于金属的趋肤深度，小于等于100nm；所述调制层的厚度小于入射光波长；所述金属反射层厚度大于金属的趋肤深度，小于入射光波长。

其中，所述金属超表面层为天线凸起结构或其巴比涅互补结构。所述金属超表面层的天线形状为直棒状、V形、H形、U形或C形。所述金属超表面层和金属反射层的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；所述基底材料为半导体材料。

所述调制层为工作在可见光波段且电光系数数量级在nm/V的电光材料；当金属超表面层为天线凸起结构时，所述电光材料的折射率大于或等于2；当金属超表面层为金属孔状结构时，所述电光材料的折射率小于2。

一种基于所述的超表面器件的反射光波长调制方法，包括以下步骤：

(1)判断金属超表面层是否为金属天线凸起结构

若金属超表面层为金属天线凸起结构，在金属超表面层上侧贴合一层ITO薄膜，再执行步骤(2)；若否，直接跳转执行步骤(2)；

(2)连接直流电压源

将直流电压源的正输出端与金属超表面层连接，负输出端与金属反射层共同接地；

(3)调制反射波长

将入射光入射到超表面器件的超表面层，调节直流电压源的电压，以改变调制层的折射率，从而改变交叉极化反射光的峰值波长。

其中，所述步骤(2)具体为：

若金属超表面层为金属天线凸起结构时，需在金属超表面层的表面增加透明的ITO薄膜，用于导电；直流电压源的正输出端与贴合在金属超表面层外侧的透明ITO薄膜连接，负输入端与金属反射层共同接地；

若金属超表面层为金属孔状结构时，直流电压源的正输出端与金属超表面层连接，负输入端与金属反射层共同接地。

再者，所述入射光为一束线偏振或圆偏振的宽频光波，其垂直入射到金属超表面层。所述反射光为一束光波，或者为两束对称分布于入射光波两侧的光波。所述直流电压源电压的绝对值大于等于0小于V_max，其中，V_max为金属超表面层-调制层-金属反射层击穿电压。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种反射式超表面器件工作在可见光波段，具有响应带宽窄、极化转移效率高、颜色可调节范围大等优点；基于反射式超表面器件的彩色微显示器件，所述器件可以作为微显示像源像素的滤波片，有助于实现颜色的动态显示；一种基于反射式超表面器件的反射波长调制方法，外接电压源可以调制反射光的颜色，能够实现可见光波段反射光颜色的电压调制，反射率高于50％，适合于高分辨率动态显示方面的实际应用，对超分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。

附图说明

图1(a)是凸起结构反射式超表面器件的示意图；

图1(b)是孔状结构反射式超表面器件的示意图；

图2是基于可见光波段反射式超表面器件的反射波长调制方法流程框图；

图3(a)是凸起结构可调谐反射式超表面器件电压加载示意图；

图3(b)是孔状结构可调谐反射式超表面器件电压加载示意图；

图4(a)是凸起结构可调谐反射式超表面器件的交叉极化反射率的电压调制效果曲线；

图4(b)是金属孔状结构可调谐反射式超表面器件的交叉极化反射率的折射率调制效果曲线。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方式对本发明技术方案作进一步解释说明，但本发明的保护范围并不局限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这些均属于本发明的保护之内。

如图1(a)所示，本发明的一种可见光波段反射式超表面器件，由上至下依次包括：纳米天线周期排布的金属超表面层101、由电介质材料构成的调制层102、连续的金属反射层103和基底层104；金属超表面层为超表面单元(即金属天线)在x和y方向按预定周期进行周期延拓形成的结构，超表面单元有m×n个，其中m、n均为大于等于2的自然数，每个超表面单元的周期小于入射光波长，厚度大于金属的趋肤深度，小于等于100nm；调制层的厚度小于入射光波长；金属反射层厚度大于金属的趋肤深度，小于入射光波长。

其中，金属超表面层有两种结构，一种为图1(a)所示的金属天线凸起结构；另一种为图1(b)所示的金属天线凸起结构的巴比涅互补结构，即金属孔状结构。

金属超表面层和金属反射层的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金。

调制层为工作在可见光波段且电光系数较大的电光材料，即电光系数的数量级在nm/V，电光材料的折射率可被电压调制。其中，电光材料电光系数的最小值由电压幅值、调制层厚度以及材料的击穿阈值共同决定。当金属超表面层为天线凸起结构时，所述电光材料的折射率应大于或等于2；当金属超表面层为金属孔状结构时，所述电光材料的折射率应小于2。超表面层和调制层折射率的这一关系是保证反射光效率高的重要条件。

基底材料可以为硅、二氧化硅等半导体。

金属天线的形状可以为直棒状、V形、H形、U形、C形或其他形状；不同天线形状的光谱响应不同。

设计天线的长度、宽度、夹角等几何特征，可以使入射光波产生0～2π的相位调制，因此实现入射光波的大角度反射。

本发明的可见光波段反射式超表面器件在制备时使用电子束刻蚀技术和剥离技术。首先金属反射层和电光材料通过电子束蒸发沉积到基底上；正PMMA抗蚀剂层旋转涂抹在电光材料层上，然后在180℃下烘烤2分钟；通过电子束刻蚀技术将纳米天线结构刻蚀在PMMA上，然后通过热蒸发金属薄膜沉积到样品上，再剥离即可得到超表面结构。

基于上述可见光波段反射式超表面器件的反射波长调制方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)判断金属超表面层是否为金属天线凸起结构

若金属超表面层为金属天线凸起结构，在金属超表面层上侧贴合一层ITO薄膜，再执行步骤(2)；若否，直接跳转执行步骤(2)；

(2)连接直流电压源

将直流电压源的正输出端与金属超表面层连接，负输出端与金属反射层共同接地；

(3)调制反射波长

将入射光入射到超表面器件的超表面层，调节直流电压源的电压，以改变调制层的折射率，从而改变交叉极化反射光的峰值波长。

其中，若金属超表面层为金属天线凸起结构时，如图3(a)所示，需在金属超表面层的表面增加透明的ITO薄膜105，用于导电。直流电压源109的正输出端与贴合在金属超表面层外侧的透明ITO薄膜连接，负输入端与金属反射层共同接地。

若金属超表面层为金属孔状结构时，如图3(b)所示，直流电压源的正输出端与金属超表面层连接，负输入端与金属反射层共同接地。

所述直流电压源电压的绝对值大于等于0小于V_max，其中，V_max为金属超表面层-调制层-金属反射层击穿电压。

一束线偏振或圆偏振的宽频光波106垂直入射到装置上，受到超表面的相位调制，产生一束大角度出射的交叉极化反射光107。金属超表面层-调制层-金属反射层形成类似于金属-电介质-金属的共振腔，对于传统的金属-电介质-金属共振腔，上下金属均为连续的金属层，当腔长(即调制层厚度)、材料折射率与入射光频率满足共振条件，会在金属/电介质界面激发表面等离子体激元，形成对宽频入射光的滤波效应，出射光与入射光的极化方向相同。但是，对于本发明中的金属超表面层-调制层-金属反射层共振腔，金属超表面层的材料是不连续的，且超表面层会对入射光波产生相位调制，形成交叉极化反射光，因此共振腔的存在会对交叉极化反射光产生了滤波效应。调节加载电压的大小，以改变调制层电光材料的折射率，使共振所需的光波频率发生改变，从而使交叉极化反射光的峰值波长发生偏移，对反射光的颜色进行调谐。

实施例1：

金属超表面层为天线凸起结构，天线形状为V型，单个天线周期为200nm，厚度为100nm；调制层厚度为300nm；金属反射层厚度为130nm；基底层厚度为300nm。金属超表面层与金属反射层均为银，其折射率根据Palik给出的常见金属折射率表设定；调制层材料为有机晶体DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate)，其折射率n为n＝n₀+(dn/dE)·E，其中n₀为平均折射率，在可见光波段为2.2，dn/dE为电光系数，在可见光波段为3.41nm/V，E为电场值；基底材料为二氧化硅。按图3(a)所示，在金属超表面层贴合一层透明的ITO薄膜，并外接输出电压可调的直流电压源，贴合在金属超表面层上的ITO薄膜加载正偏电压，金属反射层与电压源负输出端共同接地。如图4(a)所示，加载电压每增加10V，交叉极化反射共振峰蓝移40nm，交叉极化反射波的峰值反射率大于70％。

实施例2：

金属超表面层为金属孔状结构，天线形状为V型，单个天线周期为200nm，厚度为100nm；调制层厚度为200nm；金属反射层厚度为130nm；基底层厚度为300nm。金属超表面层与金属反射层均为银，折射率根据Palik给出的常见金属折射率表设定；调制层材料在可见光波段的平均折射率为1.4，折射率随电压的变化范围为-0.2～0.4；基底材料为二氧化硅。按图3(b)所示，外接输出电压可调的直流电压源，金属超表面层加载正偏电压，金属反射层与电压源负输出端共同接地。如图4(b)所示，折射率增大0.2，交叉极化反射共振峰红移40nm，交叉极化反射波峰值反射率大于60％。

一种背景光源垂直入射，像源图案以0～90°角出射的彩色微显示装置。该装置的每个像素由超表面单元构成，每个超表面单元对应一个幅值恒定的相位分布，形成一个二维相位连续分布的像源图案；像源颜色由电压控制，这些超表面单元共同组成了一个时分复用的彩色微显示像源。

尽管已经参考本发明的典型案例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施案例进行形式和细节上的多种改变。