[发明专利]一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法

权利要求书

1.一种基于超构表面的动态彩色全息器件，其特征在于：由液晶层和超构表面层组成；液晶层包括第一层透明介质衬底，用于供光入射；第一层氧化铟锡透明电极ITO，镀在第一层透明介质衬底上，用于导电，与外部电源连接；第一层光致取向层，涂布在ITO薄膜上；向列相液晶，灌入两层取向层之间的大量间隙中，用于改变光的偏振态；第二层光致取向层，两层取向层之间由充满大量间隙的间隔物支撑；第二层氧化铟锡透明电极，叠设在第二层光致取向层之上，与上述外部电源连接；第二层透明介质衬底，叠设于第二层氧化铟锡透明电极，用于液晶层的光出射；超构表面层包括透明介质衬底，叠设于液晶层的第二层透明介质衬底，用于入射从液晶层出射的光；电介质矩形纳米结构阵列，按一定规律分布在透明介质衬底上，用于调控出射光，以得到最后的全息图案。

2.一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：包括超构表面的设计制造方法和液晶的封装方法；

首先需要获得不同尺寸的纳米柱结构所提供的相应相位，其次根据几何相位原理可知，纳米柱结构面内角度的二倍对应了该结构的相位调制值；通过在介质衬底上按周期排布不同结构尺寸、不同面内旋转角的矩形纳米结构构造位置各异的琼斯矩阵，从而对RGB三种颜色波长进行调控，成像在同一位置；同时利用粒子群算法对超构表面所需的相位分布进行不同位置处的结构形状匹配，以还原特定全息图案的相位信息；最终实现彩色全息；而液晶的加入是为了实现动态调控，在不改变入射光的情况下，通过对液晶盒两端的电极加压以改变液晶的取向，从而对入射光实现相位调制以得到与原出射光旋向相反的偏振光，而因本发明中的超构表面是可以对两种特定偏振光入射条件下提供两套不同的相位，从而得到两套不同的彩色全息图案，因此实现了彩色全息的动态调控。

3.一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法：首先是对液晶层的制作，选择透明介质衬底，其上生长有一层ITO透明电极薄膜，在ITO薄膜上涂布光致取向层，然后在取向层上喷撒间隔物，间隔物中有大量间隙用来放置液晶，同时在带有第二层氧化铟锡透明电极薄膜的顶层透明衬底层上旋涂第二层取向层，之后将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并使用导线引出电极；其次是对超构表面的制作，同样是选择透明介质衬底，在其上涂布PMMA，烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影，然后使用原子层沉积技术沉淀电介质材料得到电介质纳米结构阵列和材料包覆层，然后使用离子束刻蚀技术去除材料包覆层，最后使用反应离子束刻蚀技术去除PMMA，完成超构表面制作；最后用光学胶将超构表面组装到液晶层外表面，即制得本发明所述的具有动态彩色全息功能的微纳集成器件。

4.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，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。

5.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：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的纳米柱结构将会引入一个传递矩阵，在入射光与出射光之间作用，可用以下琼斯矩阵进行表达：

其中，和分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟，θ为纳米结构的面内旋转角，R(θ)为旋转矩阵；

上述的T(θ)看作与纳米结构尺寸相关的传递矩阵，则入射和出射电场关系可以表达为Eo＝TEi，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±表示旋向，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；所以将纳米柱结构的面内角度从0°旋转到180°，出射的相反极性圆偏振光的相位即可覆盖0-2π的范围。