| 中科微星 | 2021-08-25 17:20 |
超表面液晶空間光調(diào)制器 液晶空間光調(diào)制器由于具有像素可控，成本低的特點已經(jīng)在科研、教學(xué)場景取得初步成果，下圖中長春光機所團隊研制的液晶空間光調(diào)制器已經(jīng)成功在2米的天文望遠鏡中得到應(yīng)用，利用自適應(yīng)光學(xué)原理克服了大氣湍流對成像帶來的影響。  液晶器件的光學(xué)調(diào)控是通過設(shè)計單像素結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，包括液晶選擇，電路設(shè)計以及膜層優(yōu)化，根據(jù)超材料的定義，可以將液晶器件不太準(zhǔn)確的歸納為人工超材料。超材料是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，構(gòu)成超材料的“分子”是在亞波長尺度下由人工設(shè)計的微單元結(jié)構(gòu)（cell）。超材料中的cell是超材料單元，而不是液晶盒。與傳統(tǒng)材料不同，超材料的光學(xué)性質(zhì)主要受到人工單元結(jié)構(gòu)的影響，而非構(gòu)成超材料的原材料性質(zhì)。這主要是因為超材料與光的相互作用原理與自然材料有所區(qū)別的緣故。超材料在滿足波矢匹配的條件下與光相互作用激發(fā)超材料中的電子與外界電磁場形成電磁共振，材料中的這種電子振蕩模式被稱為等離激元。表面超材料中激發(fā)的等離激元被稱為表面等離激元（Surface Plasma Polaritons,SPPs）。  SPPs的存在使得超材料不僅僅局限于平面超透鏡、電磁隱身、負(fù)光壓等早期應(yīng)用領(lǐng)域，它將超材料的應(yīng)用推向了光通訊、光計算、超靈敏傳感器、完美吸收體、光調(diào)制器、量子超材料等更具競爭力的研究和應(yīng)用方面。 傳統(tǒng)的超材料只能實現(xiàn)特定的光學(xué)效應(yīng)，比如平面超透鏡、電磁隱身、超材料傳感等，不能進行可編程調(diào)制，但超材料中有一類比較有意思的現(xiàn)象就是模式耦合現(xiàn)象，比如波導(dǎo)模式與等離子體模式之間的耦合能給產(chǎn)生Rabi分裂現(xiàn)象，實現(xiàn)對光束強度和頻率的連續(xù)可調(diào)有望實現(xiàn)光尋址型調(diào)制器產(chǎn)品化；此外還有利用石墨烯等材料電導(dǎo)率可調(diào)的特點，通過改變加載到石墨烯上的電壓調(diào)節(jié)石墨烯Fermi能級，實現(xiàn)對光束的調(diào)制。超材料將應(yīng)用拓展到了液晶光調(diào)制器的研究上也是遲早的事，而且已經(jīng)正在發(fā)生。 現(xiàn)在的液晶空間光調(diào)制器像元尺寸在3微米級別以上，Arseniy I. Kuznetsov等人設(shè)計的超表面液晶光調(diào)制器像素單元只有1微米，由于超材料表面能夠?qū)崿F(xiàn)2的相位突變，光調(diào)制器的相位調(diào)制主要是在超材料中完成的，而非液晶材料中。因此不需要很厚的液晶材料就能實現(xiàn)較大的相位調(diào)制。此外由于器件可以做的很薄，超材料液晶光調(diào)制器也能克服傳統(tǒng)液晶光調(diào)制器窄視角的缺點。傳統(tǒng)透射型光調(diào)制器視場角只有0.7°，大大限制了其應(yīng)用，而超表面空間光調(diào)制器的視場角可以達到22°。 超表面液晶光調(diào)制器的另一個應(yīng)用是澳大利亞國立大學(xué)和白俄羅斯國家科學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，他們發(fā)現(xiàn)用向列相液晶（LCs）滲入介電超表面是一種有效的調(diào)節(jié)方式，并且與現(xiàn)有的光電設(shè)備工業(yè)平臺高度兼容。他們通過在滲入的超表面最小單位上施加電壓，觀察到了共振位移比它們的線寬大兩倍以上。 目前超材料由于微加工工藝的限制只能在實驗室中小批量制作，與液晶器件的結(jié)合更需要前期的科研投入，但這些工作所展示的新型LC調(diào)諧平臺可能帶來下一代LC顯示設(shè)備以及光調(diào)制器設(shè)備的發(fā)展。 | |