本發(fā)明涉及光學(xué)成像技術(shù)，特別是涉及一種可見光波段反射式超表面器件及反射光波長調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

超表面是一類能夠使一束光在自由空間波長范圍內(nèi)產(chǎn)生相位、振幅及偏振突變效應(yīng)的超薄平面光學(xué)元件。它是由超材料結(jié)構(gòu)單元組成的一種二維陣列，將其應(yīng)用于電磁波傳播的過程中，作為兩種介質(zhì)之間的分界面，遵循廣義斯涅耳定理，可以實(shí)現(xiàn)波束的極化、相位和振幅調(diào)制，具有強(qiáng)大的電磁波調(diào)控能力。

傳統(tǒng)相位型衍射光學(xué)器件通過改變自身厚度調(diào)制光場，使得器件的尺寸、重量很大。超表面結(jié)構(gòu)器件每個(gè)結(jié)構(gòu)的單元尺寸和間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，其對波長的調(diào)控尺度突破了原有光學(xué)器件的衍射極限。為了增強(qiáng)對電磁波的調(diào)控能力，可調(diào)控的超表面也應(yīng)運(yùn)而生。在光學(xué)成像向集成化和顯示器件輕量化的今天，超表面所具有的超強(qiáng)的電磁波調(diào)控特性，顯示出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

目前已有文獻(xiàn)均局限于紅外波段的可調(diào)諧超表面器件設(shè)計(jì)，至今尚未有可見光波段的可調(diào)諧超表面器件設(shè)計(jì)的報(bào)道，更沒有具備窄帶寬特性、可調(diào)諧彩色顯示方面的應(yīng)用。主要原因是響應(yīng)在可見光波段的超表面結(jié)構(gòu)尺寸很小，藍(lán)綠波段的吸收能量較大，難以在較低的電壓條件下實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可見光波段的可調(diào)諧反射式超表面器件，及彩色微顯示裝置和通過改變加載電壓實(shí)現(xiàn)反射波長調(diào)制的方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種可見光波段反射式超表面器件，該器件由上至下依次包括天線單元周期排布的金屬超表面層、電光材料構(gòu)成的調(diào)制層、金屬反射層和基底層；所述天線單元的周期小于入射光波長，厚度大于金屬的趨膚深度，小于等于100nm；所述調(diào)制層的厚度小于入射光波長；所述金屬反射層厚度大于金屬的趨膚深度，小于入射光波長。

其中，所述金屬超表面層為天線凸起結(jié)構(gòu)或其巴比涅互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。所述金屬超表面層的天線形狀為直棒狀、v形、h形、u形或c形。所述金屬超表面層和金屬反射層的材料為金、銀、鋁、銅、金銀合金、金鋁合金、金銅合金、銀鋁合金、銀銅合金或銅鋁合金；所述基底材料為半導(dǎo)體材料。

所述調(diào)制層為工作在可見光波段且電光系數(shù)數(shù)量級在nm/v的電光材料；當(dāng)金屬超表面層為天線凸起結(jié)構(gòu)時(shí)，所述電光材料的折射率大于或等于2；當(dāng)金屬超表面層為金屬孔狀結(jié)構(gòu)時(shí)，所述電光材料的折射率小于2。

一種基于所述的超表面器件的反射光波長調(diào)制方法，包括以下步驟：

(1)判斷金屬超表面層是否為金屬天線凸起結(jié)構(gòu)

若金屬超表面層為金屬天線凸起結(jié)構(gòu)，在金屬超表面層上側(cè)貼合一層ito薄膜，再執(zhí)行步驟(2)；若否，直接跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(2)；

(2)連接直流電壓源

將直流電壓源的正輸出端與金屬超表面層連接，負(fù)輸出端與金屬反射層共同接地；

(3)調(diào)制反射波長

將入射光入射到超表面器件的超表面層，調(diào)節(jié)直流電壓源的電壓，以改變調(diào)制層的折射率，從而改變交叉極化反射光的峰值波長。

其中，所述步驟(2)具體為：

若金屬超表面層為金屬天線凸起結(jié)構(gòu)時(shí)，需在金屬超表面層的表面增加透明的ito薄膜，用于導(dǎo)電；直流電壓源的正輸出端與貼合在金屬超表面層外側(cè)的透明ito薄膜連接，負(fù)輸入端與金屬反射層共同接地；

若金屬超表面層為金屬孔狀結(jié)構(gòu)時(shí)，直流電壓源的正輸出端與金屬超表面層連接，負(fù)輸入端與金屬反射層共同接地。

再者，所述入射光為一束線偏振或圓偏振的寬頻光波，其垂直入射到金屬超表面層。所述反射光為一束光波，或者為兩束對稱分布于入射光波兩側(cè)的光波。所述直流電壓源電壓的絕對值大于等于0小于vmax，其中，vmax為金屬超表面層-調(diào)制層-金屬反射層擊穿電壓。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種反射式超表面器件工作在可見光波段，具有響應(yīng)帶寬窄、極化轉(zhuǎn)移效率高、顏色可調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)；基于反射式超表面器件的彩色微顯示器件，所述器件可以作為微顯示像源像素的濾波片，有助于實(shí)現(xiàn)顏色的動(dòng)態(tài)顯示；一種基于反射式超表面器件的反射波長調(diào)制方法，外接電壓源可以調(diào)制反射光的顏色，能夠?qū)崿F(xiàn)可見光波段反射光顏色的電壓調(diào)制，反射率高于50％，適合于高分辨率動(dòng)態(tài)顯示方面的實(shí)際應(yīng)用，對超分辨率顯示和全息成像領(lǐng)域具有啟示意義和廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1(a)是凸起結(jié)構(gòu)反射式超表面器件的示意圖；

圖1(b)是孔狀結(jié)構(gòu)反射式超表面器件的示意圖；

圖2是基于可見光波段反射式超表面器件的反射波長調(diào)制方法流程框圖；

圖3(a)是凸起結(jié)構(gòu)可調(diào)諧反射式超表面器件電壓加載示意圖；

圖3(b)是孔狀結(jié)構(gòu)可調(diào)諧反射式超表面器件電壓加載示意圖；

圖4(a)是凸起結(jié)構(gòu)可調(diào)諧反射式超表面器件的交叉極化反射率的電壓調(diào)制效果曲線；

圖4(b)是金屬孔狀結(jié)構(gòu)可調(diào)諧反射式超表面器件的交叉極化反射率的折射率調(diào)制效果曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施方式對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步解釋說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于下面的實(shí)施例，下面的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容；而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個(gè)實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明的宗旨和權(quán)利要求保護(hù)的范圍情況下，還可以做出許多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。

如圖1(a)所示，本發(fā)明的一種可見光波段反射式超表面器件，由上至下依次包括：納米天線周期排布的金屬超表面層101、由電介質(zhì)材料構(gòu)成的調(diào)制層102、連續(xù)的金屬反射層103和基底層104；金屬超表面層為超表面單元(即金屬天線)在x和y方向按預(yù)定周期進(jìn)行周期延拓形成的結(jié)構(gòu)，超表面單元有m×n個(gè)，其中m、n均為大于等于2的自然數(shù)，每個(gè)超表面單元的周期小于入射光波長，厚度大于金屬的趨膚深度，小于等于100nm；調(diào)制層的厚度小于入射光波長；金屬反射層厚度大于金屬的趨膚深度，小于入射光波長。

其中，金屬超表面層有兩種結(jié)構(gòu)，一種為圖1(a)所示的金屬天線凸起結(jié)構(gòu)；另一種為圖1(b)所示的金屬天線凸起結(jié)構(gòu)的巴比涅互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，即金屬孔狀結(jié)構(gòu)。

金屬超表面層和金屬反射層的材料為金、銀、鋁、銅、金銀合金、金鋁合金、金銅合金、銀鋁合金、銀銅合金或銅鋁合金。

調(diào)制層為工作在可見光波段且電光系數(shù)較大的電光材料，即電光系數(shù)的數(shù)量級在nm/v，電光材料的折射率可被電壓調(diào)制。其中，電光材料電光系數(shù)的最小值由電壓幅值、調(diào)制層厚度以及材料的擊穿閾值共同決定。當(dāng)金屬超表面層為天線凸起結(jié)構(gòu)時(shí)，所述電光材料的折射率應(yīng)大于或等于2；當(dāng)金屬超表面層為金屬孔狀結(jié)構(gòu)時(shí)，所述電光材料的折射率應(yīng)小于2。超表面層和調(diào)制層折射率的這一關(guān)系是保證反射光效率高的重要條件。

基底材料可以為硅、二氧化硅等半導(dǎo)體。

金屬天線的形狀可以為直棒狀、v形、h形、u形、c形或其他形狀；不同天線形狀的光譜響應(yīng)不同。

設(shè)計(jì)天線的長度、寬度、夾角等幾何特征，可以使入射光波產(chǎn)生0～2π的相位調(diào)制，因此實(shí)現(xiàn)入射光波的大角度反射。

本發(fā)明的可見光波段反射式超表面器件在制備時(shí)使用電子束刻蝕技術(shù)和剝離技術(shù)。首先金屬反射層和電光材料通過電子束蒸發(fā)沉積到基底上；正pmma抗蝕劑層旋轉(zhuǎn)涂抹在電光材料層上，然后在180℃下烘烤2分鐘；通過電子束刻蝕技術(shù)將納米天線結(jié)構(gòu)刻蝕在pmma上，然后通過熱蒸發(fā)金屬薄膜沉積到樣品上，再剝離即可得到超表面結(jié)構(gòu)。

基于上述可見光波段反射式超表面器件的反射波長調(diào)制方法，如圖2所示，包括以下步驟：

(1)判斷金屬超表面層是否為金屬天線凸起結(jié)構(gòu)

若金屬超表面層為金屬天線凸起結(jié)構(gòu)，在金屬超表面層上側(cè)貼合一層ito薄膜，再執(zhí)行步驟(2)；若否，直接跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(2)；

(2)連接直流電壓源

將直流電壓源的正輸出端與金屬超表面層連接，負(fù)輸出端與金屬反射層共同接地；

(3)調(diào)制反射波長

將入射光入射到超表面器件的超表面層，調(diào)節(jié)直流電壓源的電壓，以改變調(diào)制層的折射率，從而改變交叉極化反射光的峰值波長。

其中，若金屬超表面層為金屬天線凸起結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖3(a)所示，需在金屬超表面層的表面增加透明的ito薄膜105，用于導(dǎo)電。直流電壓源109的正輸出端與貼合在金屬超表面層外側(cè)的透明ito薄膜連接，負(fù)輸入端與金屬反射層共同接地。

若金屬超表面層為金屬孔狀結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖3(b)所示，直流電壓源的正輸出端與金屬超表面層連接，負(fù)輸入端與金屬反射層共同接地。

所述直流電壓源電壓的絕對值大于等于0小于vmax，其中，vmax為金屬超表面層-調(diào)制層-金屬反射層擊穿電壓。

一束線偏振或圓偏振的寬頻光波106垂直入射到裝置上，受到超表面的相位調(diào)制，產(chǎn)生一束大角度出射的交叉極化反射光107。金屬超表面層-調(diào)制層-金屬反射層形成類似于金屬-電介質(zhì)-金屬的共振腔，對于傳統(tǒng)的金屬-電介質(zhì)-金屬共振腔，上下金屬均為連續(xù)的金屬層，當(dāng)腔長(即調(diào)制層厚度)、材料折射率與入射光頻率滿足共振條件，會(huì)在金屬/電介質(zhì)界面激發(fā)表面等離子體激元，形成對寬頻入射光的濾波效應(yīng)，出射光與入射光的極化方向相同。但是，對于本發(fā)明中的金屬超表面層-調(diào)制層-金屬反射層共振腔，金屬超表面層的材料是不連續(xù)的，且超表面層會(huì)對入射光波產(chǎn)生相位調(diào)制，形成交叉極化反射光，因此共振腔的存在會(huì)對交叉極化反射光產(chǎn)生了濾波效應(yīng)。調(diào)節(jié)加載電壓的大小，以改變調(diào)制層電光材料的折射率，使共振所需的光波頻率發(fā)生改變，從而使交叉極化反射光的峰值波長發(fā)生偏移，對反射光的顏色進(jìn)行調(diào)諧。

實(shí)施例1：

金屬超表面層為天線凸起結(jié)構(gòu)，天線形狀為v型，單個(gè)天線周期為200nm，厚度為100nm；調(diào)制層厚度為300nm；金屬反射層厚度為130nm；基底層厚度為300nm。金屬超表面層與金屬反射層均為銀，其折射率根據(jù)palik給出的常見金屬折射率表設(shè)定；調(diào)制層材料為有機(jī)晶體dast(4-dimethylamino-n-methyl-4-stilbazoliumtosylate)，其折射率n為n＝n0+(dn/de)·e，其中n0為平均折射率，在可見光波段為2.2，dn/de為電光系數(shù)，在可見光波段為3.41nm/v，e為電場值；基底材料為二氧化硅。按圖3(a)所示，在金屬超表面層貼合一層透明的ito薄膜，并外接輸出電壓可調(diào)的直流電壓源，貼合在金屬超表面層上的ito薄膜加載正偏電壓，金屬反射層與電壓源負(fù)輸出端共同接地。如圖4(a)所示，加載電壓每增加10v，交叉極化反射共振峰藍(lán)移40nm，交叉極化反射波的峰值反射率大于70％。

實(shí)施例2：

金屬超表面層為金屬孔狀結(jié)構(gòu)，天線形狀為v型，單個(gè)天線周期為200nm，厚度為100nm；調(diào)制層厚度為200nm；金屬反射層厚度為130nm；基底層厚度為300nm。金屬超表面層與金屬反射層均為銀，折射率根據(jù)palik給出的常見金屬折射率表設(shè)定；調(diào)制層材料在可見光波段的平均折射率為1.4，折射率隨電壓的變化范圍為-0.2～0.4；基底材料為二氧化硅。按圖3(b)所示，外接輸出電壓可調(diào)的直流電壓源，金屬超表面層加載正偏電壓，金屬反射層與電壓源負(fù)輸出端共同接地。如圖4(b)所示，折射率增大0.2，交叉極化反射共振峰紅移40nm，交叉極化反射波峰值反射率大于60％。

一種背景光源垂直入射，像源圖案以0～90°角出射的彩色微顯示裝置。該裝置的每個(gè)像素由超表面單元構(gòu)成，每個(gè)超表面單元對應(yīng)一個(gè)幅值恒定的相位分布，形成一個(gè)二維相位連續(xù)分布的像源圖案；像源顏色由電壓控制，這些超表面單元共同組成了一個(gè)時(shí)分復(fù)用的彩色微顯示像源。

盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的典型案例，具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這些實(shí)施案例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的多種改變。