超表面液晶空間光調制器

空間光調制通過改變像元的折射率實現(xiàn)對光相位、振幅的調控，從而能夠實現(xiàn)眾多有吸引力的應用，如全息光鑷、光通信、光計算、機器視覺、3D打印、數(shù)字光刻、光譜分析等。其中應用之一的光鑷是利用光壓作用將粒子限定在特定空間，將移動的顆粒當作3D顯示的像素可以實現(xiàn)真“3D”，觀察者不用佩戴設備，不用在特定角度下就能觀看3D圖像。

液晶空間光調制器由于具有像素可控，成本低的特點已經在科研、教學場景取得初步成果，下圖中長春光機所團隊研制的液晶空間光調制器已經成功在2米的天文望遠鏡中得到應用，利用自適應光學原理克服了大氣湍流對成像帶來的影響。

液晶器件的光學調控是通過設計單像素結構實現(xiàn)的，包括液晶選擇，電路設計以及膜層優(yōu)化，根據超材料的定義，可以將液晶器件不太準確的歸納為人工超材料。超材料是一種人工復合結構材料，構成超材料的“分子”是在亞波長尺度下由人工設計的微單元結構（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，超材料的光學性質主要受到人工單元結構的影響，而非構成超材料的原材料性質。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、負光壓等早期應用領域，它將超材料的應用推向了光通訊、光計算、超靈敏傳感器、完美吸收體、光調制器、量子超材料等更具競爭力的研究和應用方面。

傳統(tǒng)的超材料只能實現(xiàn)特定的光學效應，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，比如波導模式與等離子體模式之間的耦合能給產生Rabi分裂現(xiàn)象，實現(xiàn)對光束強度和頻率的連續(xù)可調有望實現(xiàn)光尋址型調制器產品化；此外還有利用石墨烯等材料電導率可調的特點，通過改變加載到石墨烯上的電壓調節(jié)石墨烯Fermi能級，實現(xiàn)對光束的調制。超材料將應用拓展到了液晶光調制器的研究上也是遲早的事，而且已經正在發(fā)生。

現(xiàn)在的液晶空間光調制器像元尺寸在3微米級別以上，Arseniy I. Kuznetsov等人設計的超表面液晶光調制器像素單元只有1微米，由于超材料表面能夠實現(xiàn)2的相位突變，光調制器的相位調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)較大的相位調制。此外由于器件可以做的很薄，超材料液晶光調制器也能克服傳統(tǒng)液晶光調制器窄視角的缺點。傳統(tǒng)透射型光調制器視場角只有0.7°，大大限制了其應用，而超表面空間光調制器的視場角可以達到22°。

超表面液晶光調制器的另一個應用是澳大利亞國立大學和白俄羅斯國家科學院的科學家發(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節(jié)方式，并且與現(xiàn)有的光電設備工業(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，與液晶器件的結合更需要前期的科研投入，但這些工作所展示的新型LC調諧平臺可能帶來下一代LC顯示設備以及光調制器設備的發(fā)展。
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