深亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的相位調(diào)控器件模型研究.pdf

1、顯示技術(shù)為視覺(jué)信息提供載體和可視化手段，是信息社會(huì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于全息技術(shù)可以產(chǎn)生完美逼真的三維場(chǎng)景，已被公認(rèn)是最有前途的3D顯示技術(shù)。全息顯示的核心器件是空間光調(diào)制器，全息視頻顯示器件需要實(shí)現(xiàn)足夠空間帶寬積，即要求器件單元的大小接近光波長(zhǎng)，當(dāng)然還需要有足夠的衍射效率以及2π相位調(diào)制量等。目前已商業(yè)化的硅基液晶(LCOS)是一種廣泛使用的空間光調(diào)制器，它借助液晶一定盒厚的雙折性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，這種機(jī)制不利于器件的進(jìn)一步縮小以達(dá)到

2、全息顯示所需要的空間帶寬積。表面等離子激元技術(shù)為在亞波長(zhǎng)尺度上操縱光提供了有效的方法，包括實(shí)現(xiàn)光相位的調(diào)制方法，為解決全息視頻顯示所面臨的瓶頸問(wèn)題提供了新的途徑。
　　本文研究了深亞波長(zhǎng)金屬光柵結(jié)構(gòu)和介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)的光相位調(diào)制特性，實(shí)現(xiàn)在亞波長(zhǎng)尺度操縱光的相位調(diào)制。由于金屬-介質(zhì)-金屬（MDM類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)）能夠增強(qiáng)金屬光柵的調(diào)制效應(yīng)而且與已商業(yè)化的LCOS結(jié)構(gòu)類似，可以為將來(lái)器件的實(shí)際制作提供一定的工藝上的一致性，在設(shè)計(jì)中我們將考慮使

3、用類LCOS結(jié)構(gòu)。具體的設(shè)計(jì)是用金屬亞波長(zhǎng)光柵代替現(xiàn)在的LCOS頂部ITO電極層，保留原來(lái)的液晶層和單元驅(qū)動(dòng)層的結(jié)構(gòu)。雖然結(jié)構(gòu)類似，新器件的液晶層的物理作用完全不同，是一種新穎的相位調(diào)制器件模型，能夠?qū)崿F(xiàn)在亞波長(zhǎng)尺度操縱光，并且達(dá)到[0，2π]的相位調(diào)制范圍。論文的主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)本文針對(duì)可見(jiàn)光波段的金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)模型和介質(zhì)-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)模型，以深亞波長(zhǎng)金屬光柵中Fabry-Perot共振和金屬

4、表面等離子激元(surface plasmon，SP)的耦合物理為基本原理，研究光柵狹縫中水平和垂直的共振機(jī)制，分析它們?cè)趤啿ㄩL(zhǎng)尺度操縱光相位的作用，改進(jìn)了兩種亞波長(zhǎng)光柵耦合結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)FDTD Solution和CST仿真軟件驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的兩種亞波長(zhǎng)光柵耦合結(jié)構(gòu)的性能。
　　2)基于深亞波長(zhǎng)金屬光柵的MDM結(jié)構(gòu)，用亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)代替LCOS頂部電極層，以將來(lái)可用于全息視頻調(diào)制的器件為目標(biāo)，對(duì)此器件的光波場(chǎng)調(diào)制的新的物理過(guò)程進(jìn)行形

5、式化描述。當(dāng)入射光進(jìn)入金屬光柵狹縫，腔邊緣的反射相位可以用界面的麥克斯韋方程或TM波的磁場(chǎng)來(lái)描述。而且，根據(jù)液晶雙折性的調(diào)制范圍，我們研究了電介質(zhì)變化對(duì)相位調(diào)制的影響，尋求達(dá)到2π相位線性單調(diào)調(diào)制的深亞波長(zhǎng)金屬光柵幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真結(jié)果證明在可見(jiàn)光范圍，電介質(zhì)媒介參數(shù)在液晶折射率變化率范圍內(nèi)，該器件模型可以實(shí)現(xiàn)2π相位調(diào)制量。所提出的結(jié)構(gòu)模型可以為今后進(jìn)一步地設(shè)計(jì)全息視頻顯示器件提供很有價(jià)值的基礎(chǔ)。
　　3)通常Au，Ag等金屬被

6、用于等離子體材料，而本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鋁作為等離子體材料的可行性以及它的優(yōu)勢(shì)。在目前有關(guān)表面等離子的文獻(xiàn)中鋁通常不被認(rèn)為是有吸引力的等離子體材料，但是它資源豐富、便宜而且與CMOS兼容，它也被廣泛使用在目前商業(yè)化的空間光調(diào)制器中，例如LCOS。但是，眾所周知鋁等離子體特性對(duì)材料的幾何形狀很敏感。然而，我們?cè)趤啿ㄩL(zhǎng)光柵耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中有效地克服上述這些問(wèn)題，模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁光柵中鋁納米棒的尺度在140nm變化到190nm區(qū)間變化時(shí)，所得到的