[發明專利]一種通過基于超構表面的動態彩色全息器件及其制作方法

在審

• 申請號: 202110773269.3
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113655557A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 胡躍強;李奧凌;歐香念;李苓;段輝高
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G02B5/32
• 分類號: G02B5/32;G02F1/1341;G02B1/00;G03H1/22;G03H1/26
• 代理公司: 北京睿博行遠知識產權代理有限公司 11297
• 代理人: 董自亮

1.一種基于超構表面的動態彩色全息器件，其特征在于：由液晶層和超構表面層組成；液晶層包括第一層透明介質襯底，用于供光入射；第一層氧化銦錫透明電極ITO，鍍在第一層透明介質襯底上，用于導電，與外部電源連接；第一層光致取向層，涂布在ITO薄膜上；向列相液晶，灌入兩層取向層之間的大量間隙中，用于改變光的偏振態；第二層光致取向層，兩層取向層之間由充滿大量間隙的間隔物支撐；第二層氧化銦錫透明電極，疊設在第二層光致取向層之上，與上述外部電源連接；第二層透明介質襯底，疊設于第二層氧化銦錫透明電極，用于液晶層的光出射；超構表面層包括透明介質襯底，疊設于液晶層的第二層透明介質襯底，用于入射從液晶層出射的光；電介質矩形納米結構陣列，按一定規律分布在透明介質襯底上，用于調控出射光，以得到最后的全息圖案。

2.一種基于超構表面的動態彩色全息器件的制作方法，其特征在于：包括超構表面的設計制造方法和液晶的封裝方法；

首先需要獲得不同尺寸的納米柱結構所提供的相應相位，其次根據幾何相位原理可知，納米柱結構面內角度的二倍對應了該結構的相位調制值；通過在介質襯底上按周期排布不同結構尺寸、不同面內旋轉角的矩形納米結構構造位置各異的瓊斯矩陣，從而對RGB三種顏色波長進行調控，成像在同一位置；同時利用粒子群算法對超構表面所需的相位分布進行不同位置處的結構形狀匹配，以還原特定全息圖案的相位信息；最終實現彩色全息；而液晶的加入是為了實現動態調控，在不改變入射光的情況下，通過對液晶盒兩端的電極加壓以改變液晶的取向，從而對入射光實現相位調制以得到與原出射光旋向相反的偏振光，而因本發明中的超構表面是可以對兩種特定偏振光入射條件下提供兩套不同的相位，從而得到兩套不同的彩色全息圖案，因此實現了彩色全息的動態調控。

3.一種基于超構表面的動態彩色全息器件的制作方法：首先是對液晶層的制作，選擇透明介質襯底，其上生長有一層ITO透明電極薄膜，在ITO薄膜上涂布光致取向層，然后在取向層上噴撒間隔物，間隔物中有大量間隙用來放置液晶，同時在帶有第二層氧化銦錫透明電極薄膜的頂層透明襯底層上旋涂第二層取向層，之后將涂有取向層的面相對間隔物放置，然后將兩片襯底膠裝成盒，最后再向間隔物中灌注液晶完成封裝并使用導線引出電極；其次是對超構表面的制作，同樣是選擇透明介質襯底，在其上涂布PMMA，烘烤，使用電子束光刻技術曝光顯影，然后使用原子層沉積技術沉淀電介質材料得到電介質納米結構陣列和材料包覆層，然后使用離子束刻蝕技術去除材料包覆層，最后使用反應離子束刻蝕技術去除PMMA，完成超構表面制作；最后用光學膠將超構表面組裝到液晶層外表面，即制得本發明所述的具有動態彩色全息功能的微納集成器件。

4.根據權利要求3所述的一種基于超構表面的動態彩色全息器件的制作方法，其特征在于：所述納米柱結構的材料包括TiO₂、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、Si、GaAs、ZnS或AlN。

5.根據權利要求3所述的一種基于超構表面的動態彩色全息器件的制作方法，其特征在于：將每一個納米柱結構看成一個線性雙折射單元，則面內角度為θ的納米柱結構將會引入一個傳遞矩陣，在入射光與出射光之間作用，可用以下瓊斯矩陣進行表達：

其中，和分別是入射光沿納米結構長軸和短軸的相位延遲，θ為納米結構的面內旋轉角，R(θ)為旋轉矩陣；

上述的T(θ)看作與納米結構尺寸相關的傳遞矩陣，則入射和出射電場關系可以表達為Eo＝TEi，當圓偏振光入射時，會產生與納米柱結構面內角度θ相關的附加相位，推導出出射場的表達式為：

其中±表示旋向，分別對應于左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，式中右側的第一項表示與入射光具有相同極性的圓偏振光束，第二項表示具有相反極性的圓偏振光束，附加的幾何相位為2θ；所以將納米柱結構的面內角度從0°旋轉到180°，出射的相反極性圓偏振光的相位即可覆蓋0-2π的范圍。