Phase-only transmissive spatial light modulator based on tunable dielectric metasurface

Shi-Qiang Li, Xuewu Xu, Rasna Maruthiyodan Veetil, Vytautas Valuckas,

Ramón Paniagua-Domínguez, Arseniy I. Kuznetsov*

——||背景介绍||——

由新加坡A*STAR材料研究与工程研究所，19年6月份发表在Science上。

最近快速发展的增强现实、固态光测距以及全息显示技术都对空间光调制器（SLMs）有很高的要求，如高分辨率和大视场角。然而目前可用的SLMs都受到微米级像元尺寸的限制，因此要想办法进一步减小SLMs的像元尺寸。

——||创新点||——

本文提出了一种基于可调介质超表面的液晶设备，通过超表面引入相位突变，代替传统的液晶结构，可以实现更小的像元尺寸。然后设计了一种基于这种超表面的透射式SLMs，这种SLMs能够将光束转向角度达到11°，效率能够达到35%。这种高分辨率和大转向角的空间光调制器能够为上述的应用提供更好的发展

——||基本原理||——

通过电极改变加在超表面上的电压，引入相位突变，改变光束方向。

——||图文一览||——

图一：优化纳米天线几何结构的仿真

(a) 不同半径时零级传输的振幅，插图为仿真单元结构的示意图；  

(b) 不同半径时零级传输的相位；通过x和y方向的平移形成正方形的数组；

(c) 优化好后的结构（ha=205nm，R=135nm，p=360nm），让一束光正入射通过优化好的结构计算相对相位来模拟液晶相位转换，颜色代表液晶朝向（蓝色代表面内，黄色代表面外），尺寸代表相关的透射率，图例中的大小代表50%透过率。

(d) 三个衍射级次的传输光谱。

小结：为了实现可见光的高效率，文中使用的是TiO₂材料，然后液晶的高度使用的是1500nm。

图二：基于超表面的动态光束偏转演示

(a) 为测量而安装的设备照片；

(b) 计算机生成的电路印刷版和纳米结构部分；

(c) 纳米结构的SEM图，scale bar：左边5微米，右边1微米；

(d) 两级处理设备，作用相当于周期可调的光栅；左图显示的是不同电极配置下的衍射光强以及衍射角度。灰色代表接地电极，蓝色代表接了8V的偏转电压；

(e) 三级处理设备，作用相当于可调角度的光束偏转器。灰色代表接地电极，蓝色代表加了包括所有液晶旋向在内的偏转电压，绿色代表加了包括部分液晶旋向的中间偏置电压；

(f-g) 三级处理设备中测量三种主要衍射级次的传输效率，f代表偏转角度为4度，g代表最大的偏转角度11度；

小结：所有的光谱特性都是使用光谱分辨后焦平面成像技术测得的，从f-g图中可以看出，0级和+1级的衍射被抑制了，-1级的被加强了，达到15%。这个效率要远小于理论预测，归结于液晶对准的误差和电极工艺的限制，都是由于样片太小导致的，如果把样品做大，会提高传输效率。

图三：大口径，简化后的基于超表面的空间光调制器

(a) 空间光调制器的示意图以及操作原理，h_lc代表液晶层的厚度，w代表电极的宽度，g代表电极之间的带宽；

(b) SEM图；

(c) 加了12V左电压时三种衍射级次的传输效率；

(c) 加了13V右电压时三种衍射级次的传输效率；

小结：上下电极均为地电压，左右电极为偏转电压，但不接触，用来产生一个电势，然后可以让中间的液晶设备实现水平旋转，导致将光束偏转。这种设计可以让偏转方向改变，但不能改变偏转角度。传输效率在660nm能达到36%，比较接近理论上48%。

——||结论||——

作者成功地提出了一种一维基于介质的传输型空间光调制器，并且通过实验的方法验证了其传输效率能够达到36%，单元尺寸能够小到1μm，视场角能够到22°，并且与传统的SLMs相比，液晶的厚度可以减小超过一半，能够增加空间光调制器更多的应用。当然他们的方法也可以朝二维方向扩展。

文献链接：Science 364, 1087–1090 (2019) 14 June 2019

http://science.sciencemag.org/

报告人：汪肇坤