基于液晶集成超构表面的偏振无关动态波束控制
2024-10-12 14:45:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出在单个芯片上集成多个超构表面器件，通过输入外部信号来控制芯片以实现波束扫描效果。目标是结合纳米制造工艺、液晶封装技术和成熟的CMOS工艺来实现像素化芯片的制造。
数字微镜器件（DMD）可提供快速、偏振无关的波束控制，已经广泛应用于投影显示器。然而，其受到微机电系统（MEMS）的限制，导致分辨率降低、波束控制角受限且稳定性差，阻碍了进一步的性能优化。硅基液晶（LC）技术，采用液晶和硅芯片技术，具有高分辨率、高对比度和良好的稳定性。然而，其偏振依赖性问题导致系统复杂，器件应用效率低。
据麦姆斯咨询报道，近日，湖南大学段辉高教授和胡跃强副教授研究团队介绍了一种金属超构表面（Metasurface）与向列相液晶的混合集成，开发了一种能够实现大角度偏转的偏振无关波束控制器件。利用几何相位和等离子体共振原理，金属超构表面与电控液晶相结合，可进行动态调整，实现最大偏转角± 27.1°。相关研究成果以“Polarization Independent Dynamic Beam Steering based on Liquid Crystal Integrated Metasurface”为题发表在Scientific Reports期刊上。
研究人员设计了一种与偏振无关的动态波束调制超构表面，其将向列相液晶与反射超构表面相结合。该器件包括介电光栅和超构表面结构。由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和液晶制成的介电光栅负责实现器件的动态可调性。超构表面由金纳米柱和金反射基底组成。它利用相位梯度结构来实现波束偏转。这两种组件的结合实现了偏振不敏感效果。
偏振无关的动态波束偏转器示意图
在对单周期超构表面结构进行优化和仿真之后，研究人员深入分析了不同周期的超构表面单元，以充分利用波束偏转器的功能。考虑了六个不同的周期：260 nm、280 nm、300 nm、320 nm、340 nm和360 nm。这些周期可以实现从大约 ± 19.2° - ± 27.1°范围内的波束偏转角的多级切换。
不同周期的超构表面在不同液晶状态和偏振态下的远场衍射图样
进一步，研究人员提出了光栅偏移的优化设计方案。通过调整上光栅层相对于超构表面的位置，尽管存在异常反射，但出射波束可以更精确地被光栅调制，从而提高波束偏转性能。
光栅偏移的优化设计方案
总而言之，研究人员设计了一种偏振不敏感的动态波束偏转超构表面器件来代替数字微镜器件。该器件包括介电光栅和超构表面结构。这两种组件的结合实现了偏振不敏感的效果。研究人员模拟了该器件在多个周期内的波束偏转性能，观察到该器件在950 nm波长下实现了从± 19.2° - ± 27.1°的多级动态波束偏转，与入射光的偏振态无关。同时，器件的所有设计参数都满足加工条件，研究人员为该超构表面器件设计了一套潜在加工流程。在此基础上，研究人员提出在单个芯片上集成多个超构表面器件，通过输入外部信号来控制芯片以实现波束扫描效果。目标是结合纳米制造工艺、液晶封装技术和成熟的CMOS工艺来实现像素化芯片的制造。这种器件有可能为光学显示器、光通信和激光雷达等多个领域做出贡献。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41598-024-72680-w
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