一种空间光调制器及其设计方法、光束扫描方法

1.本发明涉及空间光调制器领域，更为具体的，涉及一种空间光调制器及其设计方法、光束扫描方法。


背景技术：

2.激光雷达扫描实现三维扫描成像对于气象实时监控，极端天气成像，自动驾驶，实时可视化传感以及智能避障防撞等方面有很广泛的应用前景。其中激光具有方向性好，单色性好以及相关性好等各种优势，使用激光进行光束扫描对于环境的背景光散射以及白噪声等影响有较好的鲁棒性。常见的光束扫描以机械扫描和激光相控阵为主。机械扫描无法实现亚微弧量级的角度扫描精度、不能达到驱动大光学口径传感系统所需功率，体积、重量和功耗过大、对非合作目标的截获概率和探测效率低下。激光相控阵通过调节相控单元(空间光调制器)辐射光波之间的相位关系，实现高强度光束指向，通过设定的程序实现快速空域扫描，在有限阵列规模下可以实现高分辨率扫描成像。相比于大体积的电学相控阵，激光相控阵可以集成在一块芯片上，尺寸小，质量轻，灵活性好，功耗低。这些优势使得激光相控阵能够在自由空间光通信、光检测和测距图像投影和光学存储等领域同样有着极大的吸引力。
3.空间光调制器是激光相控阵的核心器件，采用热光效应实现波导移相器制备是硅光电相控阵的主要移相方法，但材料折射率变化小，器件响应速度慢，功耗高。要求开发具有更大视野范围的新型空间光调制器，与传统的依赖液晶、和微机电系统的器件相比，速度和可靠性更高。在中红外、近红外、和可见波长范围内，有许多方法被用来主动控制超表面的光学响应。通过不同材料的选取，石墨烯、gaas或铟锡氧化物材料设计结构。调控实现有源超表面的物理机理也不相同：调制载流子密度调节超表面反射率；施加直流偏置或加热液晶来控制透光率；静电和磁力机械调制改变反射率和透射率；基于波导的热光学移相器主动调谐相位。
4.在这些超表面中，对于入射光束的波前控制大多是用时序控制进行，伴随有极低的反射率(≤5％)和较小的扫描角度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间光调制器及其设计方法、光束扫描方法，实现超表面中对近红外光束的高反射率与大角度的光束扫描，提高了近红外波段的调制深度，提高了设计效率等。
6.本发明的目的是通过以下方案实现的：
7.一种空间光调制器，包括电可调谐的等离子体激元谐振器单元，且为顶层、中层和底层结构；顶层为天线，中层为绝缘薄膜，底层为反射镜衬底；所述天线采用相变材料-金属电极-相变材料的包覆型结构，相变材料贴合在金属电极两侧，金属电极在电驱动下对相变材料进行加热；所述相变材料包括二氧化钒。
8.进一步地，底层为铝反射镜衬底；中间层为氧化铝绝缘薄膜，用于上层二氧化钒薄膜层的生长，同时使得顶层图案与底层铝反射镜衬底保持彼此电隔离。
9.进一步地，所述等离子体激元纳米谐振器单元呈周期性排布。
10.进一步地，所述相变材料包括纯相变材料或掺杂相变材料。
11.一种如上任一项所述空间光调制器的设计方法，包括如下步骤：
12.s1、确定空间光调制器中线偏振入射时的相位和反射系数；
13.s2、基于确定的相位和反射系数，分别使用相变前后两个状态的光学参数对所述等离子体激元纳米谐振器单元进行仿真后，根据相位差和反射率对结构参数进行初筛，分别建立相位、反射率与结构参数对应变化的参数库；
14.s3、对比分析相变前后等离子体基元纳米谐振器单元的反射率和相位，挑选在反射率大于设定值的情况下的较大相位差、同时在相变材料相变过程中能够保持反射率大于设定值时的对应结构参数，该对应结构参数用于设计所述等离子体基元纳米谐振器单元；
15.s4、对于步骤s3设计得到的该等离子体基元纳米谐振器单元，分别计算不同温度下的电场分布、相位和反射率，进而对结构单元构成的空间光调制器阵列进行物理建模；
16.s5、对物理建模得到的空间光调制器阵列进行仿真，计算其对应的远场电场实际效果图，并从相位和电场强度的角度对设计得到的等离子体激元谐振器单元进行验证，完成空间光调制器的设计。
17.一种基于如上所述的空间光调制器的光束扫描方法，通过改变每个相位周期中的金属电极的输入电压这一单参数，调节相变材料的温度，使得整个空间光调制器阵列的相位周期变化，实现电驱动可寻址式连续光束扫描。
18.进一步地，所述调节相变材料的温度，使得整个空间光调制器阵列的相位周期变化，包括子步骤：将等离子体激元谐振器单元结构的相位梯度与反射角度形成一一对应关系，通过编程时序控制相位周期的相位排布，自适应产生范围内的角度扫描。
19.进一步地，所述将等离子体激元谐振器单元结构的相位梯度与反射角度形成一一对应关系，包括子步骤：
20.预先建立不同温度下的相位-反射率谱；
21.以相邻多个等离子体激元谐振器单元为一个相位周期，根据不同的相位梯度给每个相位周期分配对应的相位，对照预先建立的相位-反射率谱调节到对应温度；
22.不同的相位梯度会产生不同的反射角度，调节相位周期的相位梯度，形成反射光束的角度扫描。
23.进一步地，相邻五个等离子体激元谐振器单元为一个相位周期，通过顶层金属电极电压独立调控反射相位。
24.进一步地，在进行近红外光束的空间光调制器的光束扫描设计时，且相变材料采用二氧化钒时，其超表面的偏转角θr按照如下公式计算：
[0025][0026]
式中，θr±
为偏转角，nr和ni分别为反射和入射时介质的折射率，θi和ko为分别是入
射角和真空的波矢，为超表面上的几何相位梯度。
[0027]
本发明的有益效果包括：
[0028]
(1)本发明实施例采用的包覆型结构，二氧化钒紧密贴在金电极两侧能够有效减少热量空间逸散，有效抑制相邻结构之间的热串扰。谐振器结构采取三层结构，中间层为氧化铝绝缘薄膜用于上层二氧化钒薄膜层的生长，同时使得顶层图案与底层铝镜保持彼此电隔离。
[0029]
(2)本发明实施例谐振器结构的相位梯度与反射角度成一一对应关系，可以通过编程时序控制相位周期的相位排布，自适应实现范围内的角度扫描。
[0030]
(3)本发明实施例通过引入相变材料二氧化钒，实现了超表面中对近红外光束的高反射率与大角度的光束扫描，提高了近红外波段的调制深度；使用二氧化钒材料能在电驱动下产生较强的折射率变化，实现高速、低能耗的移相单元结构。
[0031]
(4)本发明实施例调节栅极电压，结构阵列在高反射率(》15％)下出现连续相位变化，实现电驱动可寻址式连续光束扫描。
[0032]
(5)本发明实施例相邻5个等离子体纳米谐振器为一个相位周期，通过顶部栅极电压独立调控纳米谐振器的反射相位。结构简单，单参数控制调控简单。
[0033]
(6)本发明实施例使用纯相变材料结构会产生超120
°
连续相位变化，调节每个单元的相位分布，可以在
±
15
°
之间形成连续角度扫描。
[0034]
(7)本发明实施例对相变材料掺杂提高材料优值，整个结构可以产生不低于200
°
的相位变化，最大扫描角度为
±
25.6
°
。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为等离子体基元纳米谐振器单元；
[0037]
图2为空间光调制器相位周期示意图；
[0038]
图3为全固态纳米空间光调制器的设计方法流程图；
[0039]
图4为全固态纳米空间光调制器的光束扫描方法流程图；
[0040]
图5为相变前后结构相位与反射率参数库，其中(a)为二氧化钒相变前反射光束的相位参数库；(b)为二氧化钒相变前反射光束的反射率参数库；(c)二氧化钒相变后反射光束的相位参数库；(d)为二氧化钒相变前反射光束的反射率参数库；(e)在同一结构参数下，反射光束在二氧化钒相变前后的相位差立体图；(f)在同一结构参数下，反射光束在二氧化钒相变前后的相位差侧视图；
[0041]
图6为不同温度下等离子体基元纳米谐振器单元电场分布图；
[0042]
图7为每个周期等离子体纳米谐振器上理论分配的相位图；
[0043]
图8为全固态纳米空间光调制器上实际的电场分布图；
[0044]
图9为全固态纳米空间光调制器实现光束扫描效果示意图；其中(a)为全固态纳米
空间光调制器实现光束扫描效果示意图，(b)为等离子体激元纳米谐振器单元的剖面图；
[0045]
图中，1-第一二氧化钒结构、2-金电极、3-第二二氧化钒结构、4-氧化铝层、5-铝层。
具体实施方式
[0046]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0047]
结合图1～图9，本发明实施例旨在解决背景中提出的问题，在具体实施过程中提供的基于相变材料的空间光调制器、及其设计方法以及光束扫描调控方法，解决了现有近红外波段中的超表面对于时序控制的波前控制，无法保持较高反射率(》15％)、较大的相位变化以及较大的光束扫描角度的问题。
[0048]
实施例1
[0049]
作为一种实施方式，本发明实施例可以提供一种全固态纳米空间光调制器，技术构思为电驱动二氧化钒材料产生连续变化相位的纳米谐振器组成的反射阵列。在具体实施过程中，设有电可调谐的等离子体激元纳米谐振器单元，具体为顶层、中层和底层结构。顶层为纳米天线，中层为氧化铝绝缘薄膜，底层为铝反射镜衬底。顶层纳米天线采用二氧化钒-金-二氧化钒结构，且于中间对称。如图1所示，在具体实施例中可以按从左至右的顺序设置第一二氧化钒结构1、金电极2、第二二氧化钒结构3。中层为氧化铝层4，底层为铝层5。
[0050]
如图1所示，一种空间光调制器，可以实施为全固态纳米尺度的空间光调制器，其为空间光调制器为电驱动二氧化钒材料产生连续变化相位的纳米谐振器组成的反射阵列。如图2所示，可以由相邻五个纳米谐振器构成空间光调制器的一个相位周期。电可调谐的等离子体激元纳米谐振器单元包括顶层、中层和底层，顶层为纳米天线，中层为氧化铝绝缘薄膜，底层为铝反射镜衬底。顶层纳米天线从左至右为二氧化钒-金-二氧化钒，于中间对称。其中，金纳米天线为长条体结构的电驱动式电极，末端衔接电源。金纳米天线与二氧化钒天线紧密相连，高度长度相等，不同宽度。
[0051]
二氧化钒材料紧密贴合在金电极两侧，金电极在电驱动下对相变材料进行加热。顶层天线采用包覆型结构，二氧化钒紧密贴在金电极两侧能够有效减少热量空间逸散，有效抑制相邻结构之间的热串扰。中层为氧化铝绝缘薄膜，用于上层二氧化钒薄膜层的生长，同时使得顶层图案与底层铝镜保持彼此电隔离。等离子体激元纳米谐振器单元完全相同，横向周期性排布，连续五个等离子体激元纳米谐振器单元为一个相位调控周期。氧化铝薄膜宽度与底层铝镜宽度相同。通过结构的几何参数进行仿真得到如图5所示的二氧化钒相变前后整个结构的相位与反射率变化关系的图像，进一步得到相变前后随着结构参数的改变相位差的变化。对于选定的最大相位差的结构参数，调节顶端电压，得到如图6所示该结构参数在不同温度下的电场强度图。
[0052]
本发明实施例通过结合二氧化钒在近红外波段的热光效应和上述的特殊结构新型全固态三明治型用于空间光调制器。该空间光调制器示例用于演示正向入射线偏振光对于光束的偏折扫描，使用等离子体纳米谐振器构成超构表面空间光调制器阵列，其中二氧化钒的热光效应是指其在透明绝缘状态和金属状态之间由温度激发的转换，二氧化钒在25℃时为绝缘态，85℃时为金属态；在具体实施例中，针对近红外波段，采用二氧化钒这种相
变材料，对近红外波段线偏振动态调控的关键，从设计的合理性、操作的便捷性以及材料的实用性来说，二氧化钒都是最佳的选择。调控谐振器顶部的金属栅极，改变驱动电压，二氧化钒能逐渐转换，折射率与电导率迅速变化，达到高反射率和高相位差的目的。通过调节相控单元(光学移相器)辐射光波之间的相位关系，实现高强度光束的指向按设计的程序实现快速空域扫描。
[0053]
上述结构中，等离子体纳米谐振器为长条形，如图9(b)中等离子纳米谐振器的剖面图所示的结构参数为：氧化铝薄膜宽度与底层铝镜宽度相同均为500nm；铝镜的高度为1000nm；氧化铝薄膜的高度100nm；二氧化钒的宽度为140nm；金电极的宽度为52nm；金电极的高度和二氧化钒的高度都为57nm。详细的数值仿真与远场分布分析得到，电压驱动的vo2相变能够提供较大的反射相位变化，同时保持最低反射率》15％,平均反射率达50.5％。模型产生的相位差不低于200
°
，最终在
±
25.6
°
范围内形成稳定的光束扫描，是在有限阵列规模条件下实现高分辨率成像的有效手段。
[0054]
实施例2
[0055]
作为一种实施方式，如图3所示，本发明实施例提供一种全固态纳米空间光调制器的设计方法，包括以下步骤：
[0056]
s1、通过琼斯矩阵确定全固态纳米空间光调制器中线偏振入射时的相位和反射系数；
[0057]
s2、基于确定的相位和反射系数，考虑二氧化钒相变前后对于结构的光学性能的影响，分别使用相变前后的光学参数通过有限元法对等离子体激元纳米谐振器单元进行仿真，确定其对应的结构参数，分别建立相位、反射率与结构参数对应变化的参数库，如图5所示；
[0058]
s3、对比分析相变前后等离子体基元纳米谐振器单元的反射率和相位，挑选在高反射率(》15％)的情况下的相位差尽可能大，同时需要兼顾二氧化钒相变的整个过程中保持结构的高反射率，设计出用于近红外1550nm波长的等离子体基元纳米谐振器单元；
[0059]
s4、对于该等离子体基元纳米谐振器单元，分别计算不同温度下的电场分布、相位和反射率，进而对结构单元构成的空间光调制器阵列进行物理建模；
[0060]
s5、对建模得到的新型的空间光调制器阵列进行仿真，计算其对应的远场电场实际效果图，如图6，图7所示，并从相位和电场强度的角度对设计得到的等离子体基元纳米谐振器单元进行验证，完成空间光调制器的设计。
[0061]
s6、改变每个相位周期中的金电极中的输入电压，调节二氧化钒中的温度，使得整个空间光调制器阵列的相位周期变化，产生范围内的角度扫描。
[0062]
步骤s2中，对于结构参数的初次筛选，通过对材料的相变前后两个状态下进行仿真。根据相位差和反射率对结构参数进行初筛，能够有效减少运算时间。
[0063]
s2中采用的包覆型结构，二氧化钒紧密贴在金电极两侧能够有效减少热量空间逸散，有效抑制相邻结构之间的热串扰。对于设计的空间光调制器，入射光波长为1550nm，通过调控二氧化钒的热光效应，实现对该空间光调制器的功能调控。
[0064]
步骤s3中，结构参数的选择需要该结构在想变得全温度下反射率均大于15％。步骤s3中要求选择的结构参数在二氧化钒相变的整个过程中都保持较大的反射率，在二氧化钒剧烈相变时结构的反射率会变低。辅助计算相变温度时的相位反射率可以进一步筛选结
构参数，又能极大减少结构优化的时间。
[0065]
步骤s5中，对照空间光调制器理论计算偏转角度。
[0066]
步骤s6中，通过控制顶层结构中的金电极的输入电压调控整个全固态纳米空间光调制器的光束扫描，单参数控制能更加简单方便。
[0067]
步骤s6中，通过控制金电极的输入电压为了调控得到每个结构周期中如图7所示分配的电压，达到如图8所示的光束扫描的目的。
[0068]
实施例3
[0069]
作为一种实施方式，如图4所示，本发明实施例提供一种全固态纳米空间光调制器的光束扫描方法，包括以下步骤：
[0070]
ss1、通过对等离子体纳米谐振器单元进行详细的仿真，建立该模型结构在不同温度下的相位-反射率谱；
[0071]
ss2、以相邻五个等离子体纳米谐振器为一个相位周期，根据不同的相位梯度给每个相位周期分配对应的相位，对照相位-反射率谱调节到对应温度；
[0072]
ss3、不同的相位梯度会产生不同的反射角度，逐渐调节相位周期的相位梯度，形成反射光束的角度扫描。
[0073]
其中，反射光线的偏转角度根据超表面的广义斯涅尔公式确定。
[0074]
步骤ss3中，在进行近红外光束的空间光调制器的光束扫描设计时，超表面的偏转角θr的计算公式为：
[0075][0076]
式中，θr±
为偏转角，nr和ni分别为反射和入射时介质的折射率，θi和ko为分别是入射角和真空的波矢，为超表面上的几何相位梯度。
[0077]
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。