[发明专利]一种基于液晶材料的动态超构表面

说明书

本发明提出的一种基于液晶材料的动态超构表面，包括依次层叠的衬底、反射镜、由超构表面电极和液晶单元构成的超构表面结构层、透射电极层以及透射基板；可见光或红外光束由所述透射基板射入，经超构表面结构层调制和反射镜反射后沿设定方向射出；反射镜兼作超构表面电极和液晶单元的公共电极；超构表面电极为金属材料的光栅阵列，液晶单元填充于超构表面电极的各相邻光栅之间；透射电极层的各透射电极分别为相应的两相邻光栅之间的液晶单元独立施加电压，使不同位置的液晶单元内的液晶分子具有不同的朝向，为入射光施加不同的相位调制。本发明可在可见或红外光波段对设定波长和偏振方向的光束进行200°以上的相位调制。

技术领域

本发明可被应用于显示、通信和激光雷达等领域，特别涉及一种基于液晶材料的动态超构表面。

背景技术

近年来，超构表面(Metasurface)的提出引起了广泛关注。通过表面上亚波长尺度的结构设计，超构表面可以对电磁波的振幅、相位和偏振等特性进行灵活地调控，从而实现波前整形、光束扫描、偏振调控等功能。然而，目前已提出的超构表面大多是静态的，只能实现单一、特定的功能。已有的动态超构表面包括基于机械式结构、调制载流子浓度、相变材料等方案，但效果不甚理想，往往存在可靠性差、效率低、结构复杂或调制速度慢等问题。

液晶是一种具有光学双折射效应的材料，通过对液晶施加外界电场，可以控制液晶分子的转向，从而实现对电磁波的相位的实时、连续调制。目前液晶材料已在显示、光场调控等领域有了广泛、成熟的应用。但是，传统的液晶调制器件还存在着一些弊端。一方面，液晶材料的折射率差有限，为实现0至2π的相位调制范围，液晶层的厚度通常需要为几个波长的长度。而液晶的调制速度与液晶层厚度的平方成正比，因此，为得到理想的相位调制范围，液晶调制器件的调制速度往往受限。另一方面，在传统的液晶调制器件中，每个液晶调制单元尺寸较大，一般为数个波长量级，在实际应用中带来了诸多限制，例如在全息显示领域限制了空间带宽积，在光束扫描领域限制了扫描角度范围等。

将超构表面与液晶材料结合，通过设计入射光在液晶单元内的谐振效应，有望在亚波长尺度的结构内实现出射光相位的大幅度调制，从而提高液晶的响应速度，改善液晶器件在全息显示、光束扫描等应用领域的性能。

发明内容

针对现有的动态超构表面方案不成熟、传统液晶调制器件单元尺寸大的问题，本发明提供了一种基于液晶材料的动态超构表面。本发明能通过外加电压，在可观的调制速率下实现光束相位、波前的灵活调控。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于液晶材料的动态超构表面，其特征在于，包括从下至上依次层叠的衬底、反射镜、由超构表面电极和液晶单元构成的超构表面结构层、透射电极层以及透射基板；可见光或红外光束由所述透射基板入射到所述动态超构表面，经所述超构表面结构层调制和所述反射镜反射后沿设定方向射出；所述衬底和透射基本分别用于提供物理支撑和电学隔离；所述反射镜兼作所述超构表面电极和液晶单元的公共电极；所述超构表面电极为金属材料的光栅阵列，所述液晶单元填充于超构表面电极的各相邻光栅之间，且液晶单元的上表面完全覆盖超构表面电极的上表面；所述透射电极层为与液晶单元的排布方式一致且相对设置的透射电极阵列，各透射电极分别为相应的两相邻光栅之间的液晶单元独立施加相同或不同的电压，使不同位置的液晶单元内的液晶分子具有不同的朝向，从而为入射光施加不同的相位调制。

进一步地，所述超构表面电极为沿x方向布设、沿y方向延展的线栅形阵列，入射光为沿y方向的s偏振光，z方向为沿所述动态超构表面厚度方向；各线栅在xz平面内的截面为矩形或梯形。

进一步地，所述超构表面电极为沿xy平面布设的光栅阵列或格栅阵列，z方向为沿所述动态超构表面厚度方向，入射光的偏振态与液晶分子的初始朝向平行，各光栅或格栅在xy平面内的截面形状可为圆形或任意多边形。

本发明的特点及有益效果为：