一种液晶超表面结构及一种光控取向层的制备方法

1.本发明涉及超表面设计技术领域，尤其是一种液晶超表面结构及一种光控取向层的制备方法。


背景技术：

2.超表面是是一类由亚波长人工微结构单元组成的二维平面阵列结构，可用于操纵入射电磁波的相位、偏振和振幅等光学特性从而实现对光场的波前调控。超表面可以将传统的光学元件重新设计成轻薄化、扁平化、具有多种功能的可集成光学元件，从而减小元件的体积、降低生产成本和光学系统复杂性，还具备着灵活的光场调控能力，从而引入了新的光学功能。与传统光学器件相比，超表面光学器件的最吸引人的优势是其具有独立操控多通道波前的能力，可以实现如手性全息、轨道角动量的切换以及加速光束的偏振控制等功能，在光通讯、信息加密、防伪、大容量光学存储等领域具有重要的应用价值。超表面包括等离激元或全介质超表面。传统的等离子体超表面，大多数以金属为超表面谐振单元利用表面等离子激元共振来实现特性，这些金属通常为贵金属，例如金、银、铜、铝等。表面等离激元共振是指在金属中除了离子外，还存在很多游离的电子，当光照到金属表面时，部分电子会发生跃迁，在介质与金属的表面产生振荡。这种共振的存在使得对于不同频率的光波会产生不同情况的反射、透射、衍射以及共振吸收，但是这也导致超表面的调制变得困难。另外由于金属的固有损耗，大多数等离子体超表面的传输效率都比较低，此外，等离子体超表面与 cmos 工艺不兼容。相比之下，全介质超表面的损耗几乎可以忽略不计，而且它可以与现有的 cmos 兼容，直接使用半导体制造方法生产加工。目前，全介质超表面常用的高折射率材料主要有硅、二氧化钛、锗、碲等。全介质超表面的机制是设计的高折射率的纳米结构单元的强局域电磁mie型共振，只需要改变纳米结构单元的结构参数或光学特性，就可以使电偶极子和磁偶极子在相同频率上重叠，为实现0-2pi的相位偏移提供了基础。
3.液晶的光控取向技术是指聚合物薄膜在偏振紫外光照射情况下，会引发光致异构、光交联、光降解等现象，并产生表面各向异性，使得液晶分子在薄膜上发生取向排列。这种非接触式配向方法可在微区内精确控制液晶分子的水平方位角，可实现q波片、分束器、透镜、涡旋玻片等液晶光子器件。
4.硅基液晶（lcos）是一种基于反射模式且尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。lcos采用单晶硅基底可以利用成熟的集成电路技术，大幅提高器件的集成度，增强器件的可靠性。其次，单晶硅迁移率高，能够形成高密度的像素电极，与镀有氧化铟锡(英文名称：indium tin oxide，英文简称：ito)的导电玻璃基板形成电场，因此每个电极都能够在液晶层上施加控制电压来控制液晶旋转。由于lcos是反射式器件，缩小了液晶层厚度，因而提高了响应速度，降低了边缘电场畸变效应。
5.目前，传统的全介质超表面都是通过改变纳米结构单元的结构参数，在保证高传输效率的条件下，实现0-2pi的相位调制。但是通过改变结构参数的全介质超表面在加工上比较烦琐和困难。如果全介质超表面只需要加工出尺寸一样的纳米结构单元阵列，然后通
过改变纳米结构单元阵列周围的环境从而实现调制的功能，这样会大大减少加工难度。此外，虽然超表面已经成功地应用于静态光学元件，但是在各种应用中，动态地修改相位的能力是非常重要的。如果每个纳米天线都可以通过施加电压进行单独调整，则超表面将成为一种新型亚波长级的动态调控器件。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种液晶超表面结构及一种光控取向层的制备方法，旨在解决现有技术中通过改变结构参数的全介质超表面在加工上比较烦琐和困难，导致生产效率低的问题。
7.本发明是这样实现的，第一方面，本发明提供一种液晶超表面结构，包括：pcb基板、硅基板、纳米结构阵列、间隔粒子、液晶层、导电玻璃基板；所述硅基板设置在所述pcb基板上，所述纳米结构阵列设置在所述硅基板上，所述间隔粒子设置在所述硅基板的顶面边缘位置，所述导电玻璃基板通过所述间隔粒子相对所述硅基板设置，所述液晶层设置在所述硅基板、所述导电玻璃基板以及所述间隔粒子之间；所述硅基板和所述导电玻璃基板邻近所述液晶层的一侧均设置有光控取向层，用于实现所述纳米结构阵列的静态相位调制功能；所述硅基板上具有像素电极，且所述像素电极与所述纳米结构阵列电连接，所述像素电极用于实现所述纳米结构阵列的动态相位调制功能。
8.在其中一个实施例中，所述纳米结构阵列包括若干依次排列设置的纳米结构单元。
9.所述纳米结构单元包括纳米柱和单元区域；所述纳米柱设置在所述单元区域的中心位置，所述纳米柱受入射光场引发的电偶极子振荡和磁偶极子振荡具有相同的振幅和相位。
10.在其中一个实施例中，所述纳米柱的外形为球状、柱状或砖状。
11.在其中一个实施例中，所述单元区域的外形为正方形或正六边形。
12.在其中一个实施例中，所述纳米柱的材质包括：二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵、铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓、氧化钛。
13.在其中一个实施例中，所述光控取向层的材料包括光交联材料、光降解材料、光顺反异构材料和光致分子旋转材料。
14.在其中一个实施例中，所述光控取向层的厚度为10nm-50nm。
15.在其中一个实施例中，所述光控取向层指向矢为单一方向均匀分布。
16.第二方面，本发明提供一种光控取向层的制备方法，用于制备液晶超表面中的所述光控取向层，包括：s1：准备液晶光控取向材料溶液；s2：在所述硅基板和所述导电玻璃基板上涂抹所述液晶光控取向材料溶液；s3：对所述硅基板和所述导电玻璃基板进行烘干。
17.本发明提供了一种基于光控去向技术的硅基液晶超表面结构，具有以下有益效果：本发明在硅基板和导电玻璃基板邻近液晶层的一侧均设置有光控取向层，用于实
现纳米结构阵列的静态相位调制功能，并在硅基板上设置有纳米结构阵列，并且硅基板上具有像素电极，且像素电极与纳米结构阵列电连接，硅基板通过像素电极向纳米结构阵列施加电压，以改变液晶分子的倾角，进而改变构成纳米结构阵列的若干纳米结构单元周围局部环境的等效折射率和共振现象，改变入射光场的相位，从而实现动态相位调制功能，解决现有技术中通过改变结构参数的全介质超表面在加工上比较烦琐和困难，导致生产效率低的问题。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的一种液晶超表面结构的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种液晶超表面结构纳米结构单元均匀分布示意图；图3是本发明实施例提供的一种液晶超表面结构的纳米结构单元的几何结构示意图；图4是本发明实施例提供的一种液晶超表面结构的不同液晶光取向对应不同液晶水平方位角的液晶超表面结构示意图；图5是本发明实施例提供的一种液晶超表面结构的不同电压对应不同液晶水平方位角的液晶超表面结构示意图。
19.附图标记：1-pcb基板、2-硅基板、3-纳米结构阵列、4-间隔粒子、5-液晶层、6-导电玻璃基板、7-光控取向层、8-像素电极、31-纳米结构单元、311-纳米柱、312-单元区域。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
22.以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
23.参照图1、图2、图3、图4、图5所示，为本发明提供较佳实施例。
24.第一方面，本发明提供一种基于光控取向技术的硅基液晶超表面结构，包括：pcb基板1、硅基板2、纳米结构阵列3、间隔粒子4、液晶层5、导电玻璃基板6。
25.具体地，硅基板2设置在pcb基板1上，纳米结构阵列3设置在硅基板2上，间隔粒子4设置在硅基板2的顶面边缘位置，导电玻璃基板6通过间隔粒子4相对硅基板2设置，液晶层5设置在硅基板2、导电玻璃基板6以及间隔粒子4之间。
26.可以理解的是，间隔粒子4的厚度决定了硅基板2和导电玻璃基板6之间的距离，也就决定了用于设置液晶层5的容纳空间厚度，并决定了设置在其中的液晶层5的厚度。
27.更具体地，间隔粒子4的数目不止一个，这些间隔粒子4均匀地设置在硅基板2的顶
面边缘位置，用于对液晶层5进行侧面的支撑，以保持液晶层5的位置稳定。
28.具体地，硅基板2和导电玻璃基板6邻近液晶层5的一侧均设置有光控取向层7，用于实现纳米结构阵列3的静态相位调制功能。
29.更具体地，光控取向层7通过光控取向技术改变液晶分子的水平方位角，从而实现静态相位调制功能。
30.具体地，硅基板2上具有像素电极8，且像素电极8与纳米结构阵列3电连接，像素电极8用于实现纳米结构阵列3的动态相位调制功能。
31.更具体地，硅基板2通过像素电极8向纳米结构阵列3施加电压，以改变液晶分子的倾角，进而改变构成纳米结构阵列3的若干纳米结构单元31周围局部环境的等效折射率和共振现象，改变入射光场的相位，从而实现动态相位调制功能。
32.需要说明的是，由于相位调制作用主要发生在纳米结构单元31中，因此液晶层5无需承担相位调制功能，可以有效减小液晶层5的厚度，显著提高响应速度，并削弱边缘场效应。
33.本发明提供了一种基于光控取向技术的硅基液晶超表面结构，具有以下有益效果：本发明在硅基板2和导电玻璃基板6邻近液晶层5的一侧均设置有光控取向层7，用于实现纳米结构阵列3的静态相位调制功能，并在硅基板2上设置有纳米结构阵列3，并且硅基板2上具有像素电极8，且像素电极8与纳米结构阵列3电连接，硅基板2通过像素电极8向纳米结构阵列3施加电压，以改变液晶分子的倾角，进而改变构成纳米结构阵列3的若干纳米结构单元31周围局部环境的等效折射率和共振现象，改变入射光场的相位，从而实现动态相位调制功能，解决现有技术中通过改变结构参数的全介质超表面在加工上比较烦琐和困难，导致生产效率低的问题。
34.在一些实施例中，纳米结构阵列3包括若干均匀排列设置的纳米结构单元31。
35.具体地，纳米结构单元31包括纳米柱311和单元区域312，纳米柱311设置在单元区域312的中心位置，若干单元区域312互相抵接，因此相邻纳米柱311之间保持着同样的距离，能够确保纳米结构阵列3在进行相位调制时，能够确保相位调制功能处处均衡。
36.更具体地，纳米柱311的材质为高折射率介质材料，通过对纳米柱311外形的设计，令纳米柱311受入射光场引发的电偶极子振荡和磁偶极子振荡具有相同的振幅和相位，在这种情况下，具有两种相位调制方案：方案一：通过液晶光控取向技术改变液晶分子的水平方位角，从而改变纳米柱311周围折射率和共振现象，进行相位调制。
37.以非晶硅纳米柱311超表面为例，选用液晶的折射率n
e ≈ 1.7，n
o ≈ 1.5，针对1550nm的线偏振光，将单元区域312设计成正方形，将纳米柱311设计为圆柱体，当单元区域312的边长为900nm，纳米柱311高度为300nm，纳米柱311半径为210nm时，满足共振条件，通过液晶光控取向技术改变每个单元内液晶分子的水平方位角，进而实现亚微米级像素尺度的静态相位调制功能。
38.方案二：通过硅基板2上的像素电极8加电调制液晶的倾角，从而改变纳米柱311周围折射
率和共振现象，进行相位调制。
39.以非晶硅纳米柱311超表面为例，选用液晶的折射率n
e ≈ 1.7，n
o ≈ 1.5，针对1550nm的线偏振光，将单元区域312设计成正方形，将纳米柱311设计成圆柱体，当单元区域312的边长为900nm，纳米柱311高度为300nm，纳米柱311半径为250nm时，满足共振条件，通过硅基板2像素电极8加电调制液晶的倾角，进而实现亚微米级像素尺度的动态相位调制功能。
40.需要说明的是，纳米柱311的外形为球状、柱状或砖状，当纳米柱311设计为不同形状时需要进行调整，确保纳米柱311受入射光场引发的电偶极子振荡和磁偶极子振荡具有相同的振幅和相位。
41.可以理解的是，同一个纳米结构阵列3中的所有纳米柱311外形一致，能够确保纳米结构阵列3在进行相位调制时，纳米结构阵列3的相位调制功能处处均衡。
42.具体地，纳米柱311的材质为高折射率介质材质，包括二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵、铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓、氧化钛。
43.需要说明的是，基于惠更斯超表面原理，通过对纳米柱311的形状设计，令纳米单元结构受入射光场引发的电偶极子和磁偶极子振荡具有相同的振幅和相位，这种情况下引发的共振现象会极大程度抑制光场的后散射现象，获得高衍射效率的光调制。
44.在一些实施例中，光控取向层7的材料包括光交联材料、光降解材料、光顺反异构材料以及光致分子旋转材料。
45.具体地，光控取向层7控制液晶分子水平方位角，光控取向层7的作用是实现静态相位调制功能，为了避免光控取向层7对共振现象的影响，需要将光控取向层7的厚度准备的非常薄，光控取向层7的厚度为10nm-50nm。
46.具体地，光控指向层可以指向矢为单一方向均匀分布，即邻近液晶分子指向矢沿单一方向定向分布，当入射光为线偏光时，偏振方向与取向层方向相同。
47.第二方面，本发明提供一种光控取向层7的制备方法，在本实施例中，为了避免光控取向层7对共振现象的影响，需要将光控取向层7制备的非常薄，这里提供一种光控取向层7的制备流程：s1：准备液晶光控取向材料溶液。
48.s2：在基板上涂抹液晶光控取向材料溶液。
49.s3：烘干已涂抹液晶光控取向材料溶液的基板。
50.优选地，在s1中，光控取向材料是能够进行光控取向的材料，包括顺反异构化材料、光降解材料、光交联材料和光致分子旋转偶氮染料，其中，光致分子旋转偶氮染料为优先选项。
51.在s1中，需要将材料与有机溶剂混合溶剂，有机溶剂为n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)、二甲基甲酰胺(dmf)或各种混合溶剂，其中，光控取向材料占溶液总重量的0.1%-5%，优选0.5%-2%。
52.优选地，在s2中，基板为硅基板2和导电玻璃基板6，涂抹方式优选旋涂，旋涂参数优选：低速旋涂5秒，转速800转/分钟，高速旋涂30秒，转速3000转/分钟。
53.优选地，在s3中，烘干已涂布光控取向材料的基板，烘干温度为约80℃-110℃，烘干时间为约5-10分钟，形成光控取向层7，可选的，光控取向层7厚度可为10nm-50nm。
54.更优选地，对静态的硅基液晶超表面结构的硅基板2和玻璃基板的光控取向层7进行多步重叠曝光，以形成设计的指向矢分布。
55.更优选地，用偏振紫外或蓝光照射基板上的光控取向层7，优选405nm偏振光。在偏振紫外光辐照下，这些偶氮染料分子将在空间旋转以使其配向垂直于入射光的偏振方向。可选的，对光控取向层7进行处理，光控取向层7中的分子指向矢可通过控制照射光的偏振方向进行设定，具体的可以通过多次重叠曝光形成0
°‑
180
°
的指向矢角度分布。因此，对光控取向层7进行多步曝光，以形成预设的分子指向矢方向分布图案。
56.可选的，对光控取向层7进行曝光，曝光方式包括：干涉法、激光直写法、基于数控微镜阵(英文名称：digital micromirror device，简称：dmd)或基于空间光调制器(英文名称：spatial light modulator，简称：slm)的动态无掩膜曝光法。干涉法是指用目标光束和平面参考光相干涉形成全息图，记录在光控取向层7上。激光直写法是通过微缩物镜将激光器的出射光束缩小到很小的尺寸范围，然后对光控取向层7逐点扫描曝光，并同步旋转偏振片，做到点对点的精确取向控制。基于slm的动态无掩膜曝光法是指一束均匀准直的偏振紫外光被反射到slm芯片上，slm芯片作为一个动态偏振调制器件，通过电脑控制端输入不同的图形来控制每个像素的相位延迟，所反射的紫外光携带像素级偏振分布图案，记录在光控取向层7上。基于dmd的动态无掩膜曝光法是将dmd芯片取代slm芯片，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的照射光偏振方向，依次进行记录在光控取向膜上。在此，需要说明的是，光控取向分子指向矢与照射光偏振方向垂直，而近邻液晶层5中液晶分子指向矢与光控取向分子指向矢方向相同，因此，通过改变照射光的偏振方向分布，即可控制液晶层5中液晶分子的指向矢分布。
57.对动态的硅基液晶超表面结构的硅基板2和导电玻璃基板6的光控取向层7，通过定向偏振紫外曝光，光控取向层7指向矢为单一方向均匀分布，即近邻液晶层5中液晶分子指向矢沿单一方向定向分布。
58.另外，需要说明的是，对动态的硅基液晶超表面结构中液晶分子单一方向均匀分布不限于使用光控取向，也可使用摩擦取向。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种液晶超表面结构，其特征在于，包括：pcb基板、硅基板、纳米结构阵列、间隔粒子、液晶层、导电玻璃基板；所述硅基板设置在所述pcb基板上，所述纳米结构阵列设置在所述硅基板上，所述间隔粒子设置在所述硅基板的顶面边缘位置，所述导电玻璃基板通过所述间隔粒子相对所述硅基板设置，所述液晶层设置在所述硅基板、所述导电玻璃基板以及所述间隔粒子之间；所述硅基板和所述导电玻璃基板邻近所述液晶层的一侧均设置有光控取向层，用于实现所述纳米结构阵列的静态相位调制功能；所述硅基板上具有像素电极，且所述像素电极与所述纳米结构阵列电连接，所述像素电极用于实现所述纳米结构阵列的动态相位调制功能。2.如权利要求1所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述纳米结构阵列包括若干依次排列设置的纳米结构单元；所述纳米结构单元包括纳米柱和单元区域；所述纳米柱设置在所述单元区域的中心位置，所述纳米柱受入射光场引发的电偶极子振荡和磁偶极子振荡具有相同的振幅和相位。3.如权利要求2所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述纳米柱的外形为球状、柱状或砖状。4.如权利要求2所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述单元区域的外形为正方形或正六边形。5.如权利要求2所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述纳米柱的材质包括二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓、砷化鎵、铝砷化镓、碲、碲化铅、碳化硅、非晶硅、磷化镓以及氧化钛中的任意一种。6.如权利要求1所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述光控取向层的材料包括光交联材料、光降解材料、光顺反异构材料以及光致分子旋转材料中的任意一种。7.如权利要求1所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述光控取向层的厚度为10nm-50nm。8.如权利要求1所述的一种液晶超表面结构，其特征在于，所述光控取向层指向矢为单一方向均匀分布。9.一种光控取向层的制备方法，用于制备权利要求1-8中的所述光控取向层，其特征在于，包括：s1：准备液晶光控取向材料溶液；s2：在所述硅基板和所述导电玻璃基板上涂抹所述液晶光控取向材料溶液；s3：对所述硅基板和所述导电玻璃基板进行烘干。

技术总结
本发明涉及超表面设计的技术领域，公开了一种液晶超表面结构及一种光控取向层的制备方法，包括：PCB基板、硅基板、纳米结构阵列、间隔粒子、液晶层、导电玻璃基板；本发明在硅基板和导电玻璃基板邻近液晶层的一侧设置有光控取向层，用于实现纳米结构阵列的静态相位调制功能，硅基板上设置纳米结构阵列，硅基板上具有像素电极，像素电极与纳米结构阵列电连接，硅基板通过像素电极向纳米结构阵列施加电压，改变液晶分子的倾角，进而改变构成纳米结构阵列的若干纳米结构单元周围局部环境的等效折射率和共振现象，改变入射光场的相位，实现动态相位调制功能，解决现有技术中通过改变结构参数的全介质超表面在加工上比较烦琐和困难，导致生产效率低的问题。导致生产效率低的问题。导致生产效率低的问题。


技术研发人员：刘聪 张万隆 谢振威 袁小聪
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/5