[发明专利]一种高衍射效率相位型空间光调制器

说明书

本发明公开一种高衍射效率相位型空间光调制器，在可独立寻址硅基集成电路上设置吸收层，像素电极设置在吸收层表面，在像素电极上制备纳米柱超表面，像素电极作为下基板，导电玻璃作为上基板，在上、下基板间灌注液晶。本发明通过在像素电极内随机分布多个纳米柱阵列结构有效增大器件视场角，可适用于实时计算的全息成像。本发明通过像素电极施加电压改变液晶指向矢方向，从而改变了纳米柱结构周围局部环境的等效折射率和共振现象，主要相位调制作用发生在纳米柱结构内而不是液晶层中，有效减少液晶层厚度，减弱了边缘场效应同时有效地提高了空间光调制器响应速度。该器件利用MIM超材料结构几乎完美的吸收影响器件应用的零级光波。

技术领域

本发明涉及一种高衍射效率相位型空间光调制器，属于光电器件领域。

背景技术

空间光调制器（spatial light modulator, SLM） 是一种能够承载计算全息图，并进行光电再现的器件。空间光调制器能够根据输入控制信号对入射光的振幅、相位、偏振等特性进行实时的调制以实现对于光场的操控。

纯相位空间光调制器能够在不改变光场强度的情况下重新配置进入每个像素或从每个像素反射的光的相位延迟，通常是通过改变器件的厚度或者折射率来实现对于入射光的相位调制的。因为液晶特殊的光电效应发展出液晶空间光调制器，能够在不同电场的条件下改变液晶分子的取向，提供了沿给定方向动态控制每个像素折射率的手段，最终实现对入射光波的相位调制作用。因此液晶空间光调制器成为了对于光波波前的连续相位控制的主流方法。因其能够灵活、方便的调制光波波前而具有广泛的应用，其中应用最多的为硅基液晶技术的反射式空间光调制器。

硅基液晶(LCoS)是指在单晶硅上制作的反射式液晶空间光调制器。与传统的在非晶硅或者多晶硅材料上生长薄膜晶体管（TFT）有源驱动矩阵相比较，其具有较大的优势。首先 LCoS采用单晶硅基底可以利用成熟的集成电路技术，大幅提高器件的集成度，增强器件的可靠性。其次，单晶硅迁移率高，能够形成高密度开关矩阵，实现高密度的像素显示而拥有更高的分辨率。再者，不同于 TFT 生长在像素中间，LCoS 的驱动电路集成在像素背后，因此能够实现大于 90%的填充率，远远高于一般 TFT 器件的 35%的填充率，提高了光能利用率，并有利于实现更小尺寸的液晶器件。并且由于是反射式器件，缩小了液晶层厚度，因而提高了响应速度，降低了边缘电场畸变效应。

超表面作为一种新型的平面光学元器件在近些年得到了发展，超表面使用称为纳米天线的纳米尺寸光学元件，通过设计纳米结构来改变光的相位。虽然超表面已经成功地应用于静态光学元件，但是在各种应用中，动态地修改相位的能力是非常重要的。如果每个纳米天线都可以通过施加电压进行单独调整，则超表面将成为具有亚波长像素大小的SLM。

宽视场角是纯相位空间光调制器应用在全息成像领域的必然发展要求，然而目前的空间光调制器无法处理真实三维场景所需的大视场角模式。对于真实物体，它的光可以在每个方向上散射，因此可以从任何角度观察到它，但是现有的空间光调制器因为受像素尺寸限制，生成的三维场景的视场角被限制在几度以内。

对于硅基液晶空间光调制器，当像素电极尺寸与上下基板的间距（液晶盒厚）可以比拟的时候，在像素的边缘，电场不是垂直于电极表面，而是具有横向分量。这种横向电场的分量叫做边缘电场。当相邻像素间存在电压差时，边缘场会驱使邻近像素的液晶分子做不应有的偏转，而导致像素间的串扰。这种现象被称为边缘场效应。而液晶盒盒厚的进一步减小只能依赖于液晶材料的发展。因此，边缘场效应的出现不可避免。边缘场效应有两种表现：一是工作像素中心出现液晶分子倾角反转区，即此区域的液晶分子有相反的倾角方向，而不能实现应有的偏转。另一个表现是非工作像素的液晶分子由于黏性作用而被工作像素的液晶分子带动偏转。对于全息显示而言，边缘场导致非理想的相位分布，致使加载的相位全息图发生畸变，而无法精确成像。

发明内容