[发明专利]一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件及实现方法

权利要求书

1.一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件，其特征在于：该像素化动态全息显示器件由底层透明介质衬底、第一层氧化铟锡透明电极、电介质纳米柱结构阵列、聚甲基丙烯酸甲酯、电介质材料包覆层、第一层光致取向层、向列相液晶、第二层光致取向层和第二层氧化铟锡透明电极，以及顶层透明介质衬底组成；所述电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱结构；

所述的第一层氧化铟锡透明电极铺设在底层透明介质衬底上，第一层氧化铟锡透明电极与电介质材料包覆层之间设有聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯中设有电介质纳米柱结构阵列；电介质材料包覆层、第一层光致取向层、向列相液晶、第二层光致取向层和第二层氧化铟锡透明电极以及顶层透明介质衬底顺次设置在电介质材料包覆层上；

第一层氧化铟锡透明电极和第二层氧化铟锡透明电极中设有用于与超构表面进行对准的对准标志。

2.一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件的实现方法，其特征在于：包括两大部分：超构表面的设计制造和液晶的封装；

设计超构表面首先获取纳米柱的结构尺寸以及纳米柱在介质衬底表面的面内角度，纳米柱结构面内角度的二倍对应了该结构的相位调制值；将图像信息通过全息相位恢复算法计算得到相位分布信息，通过在介质衬底上按周期排布相同结构尺寸、不同面内角度的纳米结构构造位置各异的琼斯矩阵，所述的琼斯矩阵包含纳米柱结构调制的相位信息，所述的相位信息可通过不同偏振的入射光进行独立重构；

在透明介质衬底上旋转涂布光刻胶，使用激光直写技术对光刻胶曝光显影，然后将光刻胶作为掩膜，使用ITO刻蚀液对ITO电极进行湿法刻蚀，实现电极像素化并制作出对准标志，去除光刻胶后再旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，烘烤，使用电子束光刻技术套刻曝光显影，制作出纳米柱结构阵列所需的孔洞结构；然后使用原子层沉积技术沉淀电介质材料填补孔洞得到电介质纳米结构阵列和材料包覆层，完成超构表面的制作；在超构表面上旋涂光致取向层，然后在取向层上喷涂间隔物，同时在另一片带有ITO电极层的衬底上旋涂光致取向层，之后将第二片衬底涂有取向层的面相对间隔物放置，然后将两片衬底胶装成盒，最后再向间隔物中灌注液晶完成封装。

3.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件的实现方法，其特征在于：所述纳米柱结构的材料包括TiO₂、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、Si、GaAs、ZnS或AlN。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件的实现方法，其特征在于：所述纳米柱结构的高度范围为200nm-1500nm，所述纳米柱结构在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm。

5.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件的实现方法，其特征在于：在超构表面相位调控的设计上采用几何相位调控的策略，将每一个纳米柱结构看成一个线性双折射单元，则面内角度为θ的纳米柱结构可以用琼斯矩阵进行表达：

其中，和分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟，R(θ)为旋转矩阵；

入射和出射电场关系表达为E_o＝T(θ)E_i，当圆偏振光入射时，会产生与纳米柱结构面内角度θ相关的附加相位，推导出出射场的表达式为：

其中±分别对应于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，式中右侧的第一项表示与入射光具有相同极性的圆偏振光束，第二项表示具有相反极性的圆偏振光束，附加的几何相位为2θ；所以保持纳米柱结构的尺寸不变，面内角度从0°旋转到180°，出射光相位即可覆盖0-2π的范围。

6.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件的实现方法，其特征在于：利用外加电压改变液晶的取向角度，就能实现液晶对超构表面出射光的相位调控，从而实现对器件全息显示的切换。