液晶空间光调制器的应用

超表面液晶空间光调制器

空间光调制通过改变像元的折射率实现对光相位、振幅的调控，从而能够实现众多有吸引力的应用，如全息光镊、光通信、光计算、机器视觉、3D打印、数字光刻、光谱分析等。其中应用之一的光镊是利用光压作用将粒子限定在特定空间，将移动的颗粒当作3D显示的像素可以实现真“3D”，观察者不用佩戴设备，不用在特定角度下就能观看3D图像。

液晶空间光调制器由于具有像素可控，成本低的特点已经在科研、教学场景取得初步成果，下图中长春光机所团队研制的液晶空间光调制器已经成功在2米的天文望远镜中得到应用，利用自适应光学原理克服了大气湍流对成像带来的影响。

液晶器件的光学调控是通过设计单像素结构实现的，包括液晶选择，电路设计以及膜层优化，根据超材料的定义，可以将液晶器件不太准确的归纳为人工超材料。超材料是一种人工复合结构材料，构成超材料的“分子”是在亚波长尺度下由人工设计的微单元结构（cell）。超材料中的cell是超材料单元，而不是液晶盒。与传统材料不同，超材料的光学性质主要受到人工单元结构的影响，而非构成超材料的原材料性质。这主要是因为超材料与光的相互作用原理与自然材料有所区别的缘故。超材料在满足波矢匹配的条件下与光相互作用激发超材料中的电子与外界电磁场形成电磁共振，材料中的这种电子振荡模式被称为等离激元。表面超材料中激发的等离激元被称为表面等离激元（Surface Plasma Polaritons,SPPs）。

SPPs的存在使得超材料不仅仅局限于平面超透镜、电磁隐身、负光压等早期应用领域，它将超材料的应用推向了光通讯、光计算、超灵敏传感器、完美吸收体、光调制器、量子超材料等更具竞争力的研究和应用方面。

传统的超材料只能实现特定的光学效应，比如平面超透镜、电磁隐身、超材料传感等，不能进行可编程调制，但超材料中有一类比较有意思的现象就是模式耦合现象，比如波导模式与等离子体模式之间的耦合能给产生Rabi分裂现象，实现对光束强度和频率的连续可调有望实现光寻址型调制器产品化；此外还有利用石墨烯等材料电导率可调的特点，通过改变加载到石墨烯上的电压调节石墨烯Fermi能级，实现对光束的调制。超材料将应用拓展到了液晶光调制器的研究上也是迟早的事，而且已经正在发生。

现在的液晶空间光调制器像元尺寸在3微米级别以上，Arseniy I. Kuznetsov等人设计的超表面液晶光调制器像素单元只有1微米，由于超材料表面能够实现2的相位突变，光调制器的相位调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实现较大的相位调制。此外由于器件可以做的很薄，超材料液晶光调制器也能克服传统液晶光调制器窄视角的缺点。传统透射型光调制器视场角只有0.7°，大大限制了其应用，而超表面空间光调制器的视场角可以达到22°。

超表面液晶光调制器的另一个应用是澳大利亚国立大学和白俄罗斯国家科学院的科学家发现的，他们发现用向列相液晶（LCs）渗入介电超表面是一种有效的调节方式，并且与现有的光电设备工业平台高度兼容。他们通过在渗入的超表面最小单位上施加电压，观察到了共振位移比它们的线宽大两倍以上。

目前超材料由于微加工工艺的限制只能在实验室中小批量制作，与液晶器件的结合更需要前期的科研投入，但这些工作所展示的新型LC调谐平台可能带来下一代LC显示设备以及光调制器设备的发展。
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