包括超表面的电控动态光学组件的制作方法

1.本发明涉及一种包括超表面的光学组件，该光学组件包括第一衬底的表面和在该超表面上方沿高度方向z布置的顶层。


背景技术：

2.光束或电磁辐射的传播可以完全由其相位和它在给定的二维表面上的振幅轮廓来确定。为了操纵这样的光束，使用了光学设备或光学组件。尽管振幅和相位的操纵可以被认为是典型的，但是为了避免不希望的损失，相位的操纵是优选的。通过在光束上引入特定的相位轮廓来操纵光束的传播。这样的光学设备可以是透镜、棱镜、镜子或全息元件。这样的操纵可以通过光学设备的厚度变化来实现。
3.已经发现光学超表面适合于代替许多光学系统中的传统的光学件。超表面是可以调制光束的局部性质的(主要是平面的)结构。通常，超表面是一种人造纳米结构界面，其通过空间布置的超原子操纵光。这些超原子通常由等离子体或电介质纳米天线组成，它们可以直接改变光的性质，诸如相位、振幅和偏振。
4.传统光学件仅通过折射和传播来操纵光。光学超表面是与光强烈相互作用，通过小纳米结构的散射改变亚波长厚度上的光性质的亚波长图案层。因此，光学超表面提供了一种全新的光操纵方法，包括光谱选择性、波前和偏振控制。此外，与传统的光学件相比，包括光学超表面的光学系统可以小得多。超表面提供了对光束相位轮廓的高分辨率控制。具体地，对于全息应用和光束整形，超表面是有利的。
5.光的操纵是由纳米结构引起的，该纳米结构共振地捕获光并以限定的相位、偏振、形态和光谱重新发射光。这使得光波雕刻具有前所未有的精确度。om与频率选择表面和高对比度光栅有一些相似之处。然而，在过去的十年中，它们在复杂性和功能性方面经历了巨大的进步。
6.从us 2018/0321518 a1已知一种电可调的超表面。它包括镜面、导电层和电介质层。导电层和电介质层直接接触，从而限定导体-电介质界面。多个亚波长天线元件被布置在电介质层上，并且被配置为在亚波长天线元件与镜面之间建立电势差。结合亚波长天线元件、导电层和电介质层中的每个的几何形状和材料成分，入射电磁波的传播特性可通过电可调的超表面来调节。
7.现有技术中已知的光学超表面的缺点是它们的光学性质是固定的，或它们的光学可重构性受到很大限制。需要改进的光学可重构性，因为它允许控制光学超表面的某些性质和功能。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种光学组件和光学设备，其克服了上述缺点。希望将这样的光学组件集成到光学设备中。此外，应该提供一种用于生产这样的光学组件的方法。
9.根据权利要求1的光学组件以及根据权利要求15的方法解决了该问题。进一步的
应该理解为阵列中第一和/或第二散射结构的几何形状和大小相差≤5％，优选≤3％，更优选≤1％。最优选地，阵列中第一和/或第二散射结构的几何形状和大小是相同的。这可以通过电子束光刻等技术来实现，电子束光刻能够在原子水平上操纵形状。第一散射结构和第二散射结构的几何形状和大小可以不同。然而，优选的是，所有第一散射结构提供基本相同的几何形状和大小，并且所有第二散射结构提供基本相同的几何形状和大小。最优选地，阵列中所有(第一和第二)散射结构的几何形状和大小基本相同。
17.在优选实施例中，第一和/或第二散射结构提供圆柱形或立方体几何形状(“棒”)，优选直圆柱体或矩形立方体的几何形状。每个散射结构的纵向延伸优选在100-400nm的范围内，优选150-300nm，更优选175-225nm，最优选约200nm。在垂直于纵向方向延伸的宽度方向上，已经发现10-200nm，优选20-150nm，更优选30-100nm，最优选50-80nm范围内的延伸是有利的。在(直)圆柱体的情况下，宽度方向是圆柱体的直径。对于不规则的圆柱体或立方体，沿着相互垂直的两个宽度方向的延伸可以独立地从这些优选范围中选择。对于正方形立方体，这两个宽度方向可以相同。
18.优选地，散射结构的尺寸小于待由光学组件操纵的入射电磁辐射的波长小尺寸的散射结构提供了光学组件的更高分辨率。
19.此外，散射结构之间的间距对分辨率有影响。为了提供高分辨率，散射结构之间的间距优选小于待由光学组件操纵的入射电磁辐射的波长的一半。
20.优选地，超表面的光学性质可在小于500ms内从第一光学性质转变到第二光学性质，优选≤250ms，优选≤100ms，更优选≤50ms，最优选≤35ms。已经发现，两种不同光学性质之间的快速转变对于许多应用是有利的。
21.优选地，超表面上方的体积填充有限定的(惰性)介质，以避免不期望的化学反应。通常，对于布置在第一衬底与顶层之间的体积没有限制。然而，尤其是在顶层用作电极的情况下，已经发现，如果顶层相对于超表面不太接近，则可以实现最佳性能。优选地，第一衬底与顶层之间的体积的高度是散射结构的高度的至少3倍，优选≥5倍，更优选≥10倍，更优选≥20倍，最优选≥50倍。优选地，第一衬底与顶层之间的体积的高度小于散射结构的高度的500倍，优选≤200倍，更优选≤100倍，更优选≤75倍，最优选≤50倍。在该体积中布置有介质，优选液体介质。优选地，该介质是导电介质，最优选是离子溶液。这样的介质不仅保护超表面，而且在顶层用作电极的情况下提供导电性。
22.在优选实施例中，第一物质包括电介质材料，优选电介质聚合物。更优选地，该聚合物是丙烯酸酯聚合物，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。聚甲基丙烯酸甲酯是优选的，因为它在可见光波长范围内的折射率(n1+ik1)为n1＝1.5，k1≈0。优选地，第一物质的折射率不会随着控制信号而显著改变。这意味着在施加控制信号之后，第一物质的折射率变化不超过10％，优选≤5％，更优选≤2％。优选地，第一物质的折射率在0-40℃的温度范围内不会显著改变。这意味着在该温度范围内，第一物质的折射率变化不会超过10％，优选地≤5％，更优选地≤2％。
23.优选地，第一物质至少部分地包围第一散射结构，更优选地在不接触第一衬底的所有侧面接触第一散射结构。因此，优选地，第一散射结构在一侧被第一衬底包围，在所有其他侧被第一物质包围。
24.优选地，第二物质的可变的折射率(n2+ik2)的实部n和/或虚部κ可通过控制信号变
换为第一物质的相应值。如以下所描述，如果第二物质的可变换折射率可以被调节到与第一物质的折射率相同的值(例如对于pmma，n1＝1.6)，这是有利的。当第二物质的折射率被调节到几乎没有吸收(k2≈0)时，异常透射变得非常弱。当n2达到n1(＝1.5)的值时，光强度接近零，因为折射率相当于仅被pmma均匀覆盖的超表面的折射率。
25.在优选实施例中，第一和/或第二散射结构的几何形状是圆柱体或平行六面体。已经发现这些结构易于生产并提供足够的光学性能。然而，提供较少自由度的几何形状，如直圆柱体或矩形立方体是优选的。优选地，第一和/或第二散射结构的纵向延伸优选在100-400nm的范围内，优选150-300nm，更优选175-225nm，最优选约200nm。这种纵向延伸为包括可见光波长的大范围波长提供了合适的光学效果。优选地，第一和/或第二散射结构的宽度(应该理解为沿着垂直于纵向方向的方向的延伸)在10-200nm的范围内，优选20-150nm，更优选30-100nm，最优选50-80nm。该宽度还提供了良好的光学性质，并且易于用普通技术处理。最优选地，立方体或不规则圆柱体的两个宽度延伸可以独立地从这些优选范围中选择。应该理解的是，这种措辞应该涵盖与上述理想几何形状的小偏差(如倒角边缘或拐角)。
26.如上所述，第一散射结构和第二散射结构布置成阵列，从而提供单位单元的重复图案。在优选实施例中，每个单位单元包括一行第一散射结构和一行第二散射结构。优选地，相邻的单位单元相对于彼此布置成使得第一散射结构和第二散射结构在阵列中形成交替的行。因此，优选地，第一散射结构和第二散射结构在阵列中以交替的行布置。这种布置提供了不同散射结构的均匀分布。此外，第一散射结构和第二散射结构可以容易地被不同的第一物质和第二物质覆盖。
27.优选地，每个单位单元(13)可由控制信号独立寻址。这意味着每个单位单元可以由控制信号从提供第一光学性质的第一状态转变到提供不同光学性质的第二状态，而与相邻单元的状态无关。优选地，相邻单元的状态对待转变的单元的可转变性没有影响，而且当待转变的单元的状态改变时，相邻单元也不转变其状态。
28.在优选实施例中，第一衬底包括载体。这是有利的，因为这样的载体可以支持不同的散射结构。已经发现有利的是，载体包括二氧化硅，优选石英。二氧化硅(特别是石英)的化学性质(特别是电化学性质)可以容易地适应特定的需要。在一个特别优选的实施例中，载体由石英组成，其涂覆有导电涂层。如上关于散射结构的材料所述，“由
……
组成”应该理解为容许杂质达到一定程度。该涂层优选是含金属的。通过从气相中解吸，许多金属可以容易地作为薄层施加在石英表面上。已经发现包括氧化铟锡或优选由氧化铟锡组成的涂层是特别合适的。
29.本发明的另一方面是一种包括如上以上所描述的光学组件的光学设备。由于入射电磁辐射的调制相位轮廓，电场的施加可能导致这样的光学设备的光学功能的调制，该入射电磁辐射透射通过光学组件或被光学组件反射。这样的光学设备相对于那些包括传统光学组件(如传统(玻璃)透镜)的设备来说可以非常薄。此外，相位轮廓的调制可以容易地由控制信号触发。
30.优选地，光学设备是全息设备或透镜或光束控制设备。对于这些应用，已经发现，如以上所描述的光学组件因为其光学性质的可转变性和小的高度而特别合适。
31.散射结构也被称为超原子或超表面的构建块。有利地，电磁辐射具有10nm至1000nm的波长优选地，电磁辐射在从大约700nm至大约1000nm的红外光谱中。优选地，电
磁辐射在大约380nm至740nm的可见光谱中。
32.根据优选实施例，在入射电磁辐射上引起的相位轮廓包括几何相位分量。优选地，由于入射电磁辐射的(局部)相位延迟，引入了几何相位分量。有利地，(局部)相位延迟取决于散射结构的取向。这样的相位延迟可以基于pancharatnam-berry(pb)相位原理。光偏振态的空间控制不可避免地引入非平凡的空间变化相位分布，称为pb相位。如果均匀偏振波的两个部分沿着庞加莱球(偏振态空间)上的两个不同路径被改变为共同的偏振态，则在两个偏振态之间出现相对相位，该相对相位等于该路径所包围的立体角的一半。
33.pb相位代表偏振转换历史的演变，因此顺时针和逆时针演变将翻转这样的几何相位的符号。因此，当圆偏振(cp)光的光束撞击到优选的散射结构(该散射结构被部署为具有优选的线偏振谐振(例如偶极子)的光学天线)上时，散射光束被部分地转换为具有相移的相反螺旋度，该相移仅由天线的几何取向确定。接近法向入射角时，cp光束主要被散射成具有相同偏振但没有相位变化的光束，以及具有相反圆偏振但相位变化相当于偶极子与参考轴之间形成的角度的两倍的光束。优选地，法向入射轴是任意的。相移的符号取决于入射光束的螺旋度状态(右旋或左旋螺旋度)。另一方面，散射场的振幅优选独立于散射结构的取向，而是依赖于其频率响应。有利地，相位延迟完全取决于散射结构的取向。
34.经由几何相位(例如，pancharatnam-berry(pb)相位)对光波前进行整形的超表面可以优选通过控制光学天线的面内取向来实现。这种方法不仅允许高度精确地控制相位轮廓，而且降低了制造复杂性。重要的是，pb相位不依赖于特定的天线设计或波长，从而使宽带性能成为可能。
35.单个亚波长像素上的几何相位分量和传播相位分量的有利的选择性组合实现了像素级可寻址性。这个概念是通用的，并且适用于任何活性材料，这些活性材料在电、光、热或其他外部刺激下表现出折射率变化。
36.优选地，几何相位与沿着电磁辐射的光传播路径累积的动态(传播)相位无关。有利地，几何相位调制可以通过使用具有相同几何参数但空间变化取向的各向异性亚波长金属/电介质散射结构来实现。优选地，散射结构被电磁辐射共振激发。这具有获得大散射截面的优点。基于pb相位原理，每个纳米棒的相位延迟等于其中，是散射结构的取向角。因此，通过在超表面上布置具有不同取向的散射结构，可以获得任意的相位轮廓。
37.光学组件的优选用途是设计全息图。例如，这可以通过傅立叶全息图来实现，该全息图被设计成在远场中获得期望的光束轮廓。优选地，所需的相位掩模是期望图像的傅立叶逆变换。这样的相位掩模的设计可能需要迭代数值方法。对于具有更简单功能的光学设备(例如透镜光束反射器)，相位掩模的图案可以解析地导出。此外，有利地量化了计算的相位图，该相位图是数值地或解析地找到的。一旦找到量化的相位图，就根据所需的局部相移，用取向/电介质柱沉积像素(即散射结构)。
38.该光学设备可以包括一个或多个光学组件，每个光学组件包括单个特征或以上所描述的特征的组合。相同的优点可以应用于如以上所描述的用于光学组件的光学设备，反之亦然。
39.优选地，光学设备是全息设备或透镜或光束控制设备。
40.通过适当的相位轮廓设计，完全可互换的功能，例如，在一个全息图内不同全息图案之间的转变，或在光束控制、聚焦、全息术、光学涡旋等之间的多功能转变，可以在几毫秒
内成功地实现，并且在可见频率的电控制下具有极好的可逆性。
41.该光学设备和光学组件具有实现多样化光学功能的巨大潜力，同时在单个纳米光子设备内保持各个功能高度独立。这将实现使用具有高空间分辨率的超薄设备的新型光通信系统，这对于现代密码学和安全应用可能是非常重要的。这样的高度集成的纳米光子超表面将允许以前所未有的水平操纵光传播，从而为紧凑型多任务光学设备铺平道路。
42.另一个问题通过一种用于生产包括超表面、提供可由控制信号控制的光学性质的光学组件的方法来解决。该方法包括以下步骤：-提供第一衬底(3)，-提供顶层(4)，-任选地通过电子束光刻在第一衬底(3)的表面上生产散射结构(5，5a，5b，5c)的阵列(12)，以及-通过在散射结构(5，5a，5b，5c)的第一部分的表面的至少一部分上施加具有第一折射率的第一物质和在散射结构(5，5a，5b，5c)的第二部分的表面的至少一部分上施加具有第二折射率的第二物质，在阵列中创建包括至少两个不同散射结构(5，5a，5b，5c)的单位单元(13)的重复图案，其中第二物质不同于第一物质，并且根据控制信号提供可变的折射率。
43.该方法提供了具有优异光学性质的光学组件的简单生产。此外，光学性质可以在至少两种不同状态之间转变。该超表面优选是平面的。
附图说明
44.本发明的其他优点、目的和性质将通过附图和以下描述来描述。
45.在附图中：
46.图1a和图1b从不同的角度示出了根据本发明的光学组件的示例；
47.图1c是打开(左)和关闭(右)的全息图像的示意图，包括字母“mpi”；
48.图2a示出了聚苯胺(pani)在其翠绿亚胺状态(es)和无色翠绿亚胺状态(ls)下的化学结构，以及这两种状态之间转化的电化学反应；
49.图2b从不同角度示出了根据本发明的光学组件的示例；
50.图2c示出了归一化强度相对于δθ的修正；
51.图2d示出了作为复折射率n2和k2的函数的异常透射的修正；
52.图3a示出了作为施加电压的函数的光强度的修正；
53.图3b示出了光学组件的开关时间(“关
→
开”(左)和“开
→
关”(右))；
54.图3c示出了光学组件在至少100个开关周期内几乎没有退化；
55.图4a示出了一个实验装置的示意图；
56.图4b示出了pani在超表面样品上电化学沉积的循环伏安图；
57.图4c示出了光学组件的超表面的sem图像；
58.图4d示出了光学组件的超表面的afm图像(左)和两个选定高度轮廓的叠加(右)；
59.图4e示出了原位记录的pani生长过程中异常透射的归一化强度。
具体实施方式
60.图1a和图1b从不同的角度示出了根据本发明的光学组件(1)的示例。如图1a所示，平面的超表面(2)布置在第一衬底(3)的上表面(3a)与顶层(4)之间。虽然超表面直接布置在第一衬底(3)的上表面(3a)上，但是顶层(4，在图1b中未示出)沿着高度方向(h)间隔开。第一衬底(3)和顶层(4)都是导电的，并且分别用作底部电极(3)和顶部电极(4)。
61.该超表面(2)包括多个散射结构(5，5a，5b)。散射结构(5a，5b)布置成行(8a，8b)。这些行(8a)中的一些行的(第一)散射结构(5a)被具有第一折射率的第一物质(6a)覆盖，而其他行(8b)的散射结构(5b)被第二物质(6b)覆盖，第二物质不同于第一物质并且根据控制信号提供可变的折射率，在该示例中，控制信号是施加在顶部电极(3)与底部电极(4)之间的电势(v)。在所示的示例中，第一散射结构(5a)和第二散射结构(5b)被布置成交替的行(8a，8b)。覆盖第一散射结构(5a)的第一物质(6a)是电介质材料。覆盖第二散射结构(5b)的第二物质(6b)是电致变色聚合物。
62.在这个示例中，所有散射结构(5，5a，5b)的几何形状是相同的，是矩形立方体。因为这些结构优选由金制成，所以也使用术语“金纳米棒”代替“散射结构”。应该理解，仅针对“金纳米棒”(5，5a，5b)公开的优选实施例也可以应用于不包括金和/或具有不同几何形状的“散射结构”。然而，金纳米棒是优选的，因为它们可以通过电子束光刻(ebl)在ito涂覆的石英衬底上制造。金纳米棒(5，5a，5b)的大小为200nm
×
80nm
×
50nm。奇数排(或行)(8a)通过双层ebl工艺被pmma(h1＝100nm)覆盖。偶数排(或行)(8b)的金纳米棒(5，5a，5b)已经通过在含有(2m)hno3和(0.1m)苯胺的水性电解质中的超表面样品的电化学聚合而被pani覆盖。
63.每个立方体(5)的纵向方向在第一衬底(3)的上表面(3a)的平面中延伸。然而，该平面中的这些方向在一些散射结构(5，5a，5b)之间不同。用作光学天线的散射结构(5，5a，5b)的不同面内取向允许通过几何相位(例如pancharatnam-berry(pb)相位)对光波前进行整形。散射结构具有亚波长尺寸，并且相邻散射结构(5，5a，5b)和/或不同覆盖的散射结构(5，5a，5b)的行(8a，8b)之间的间隔也具有亚波长尺寸。
64.图1b示出了超表面(2)和底部电极(3)的横截面。顶部电极(4)未示出。所有纳米棒(5，5a，5b)的高度相同，然而，覆盖第一物质(6a)和第二物质(6b)的形式不同。当第一物质(6a)覆盖一行金纳米棒(5a)并且由此形成连续的带时，第二物质(6b)仅覆盖单独的纳米棒(5b)，从而形成第二物质(6b)的岛。第一物质(6a)的带具有近似矩形的横截面。第二物质(6a)的横截面类似于围绕每个纳米棒(5a)的圆顶。
65.这样的超表面(2)的光学性质可以通过在电极(3,4)之间施加电势(v)来控制。作为对这样的电势(v)的响应，该实施例中的第二物质(6b)聚苯胺(pani)可以从其翠绿亚胺状态(es)转变为其无色翠绿亚胺状态(ls)，反之亦然。这两种状态以及相互转化的电化学反应如图2a所示。
66.作为对这种转变的响应，超表面(2)的光学性质改变，并且在图1c示意性示出的实施例中，包括字母“mpi”的全息图像可以被打开(左)或关闭(右)。
67.图2b再次示出了来自图1a和图1b的光学组件(1)。然而，顶部电极(4)未示出。在图2b的左图中，突出显示了阵列(9)的单个单元(7)。这样的单元(7)的横截面在图2b的右侧示出。
68.第二物质(6b)(在该实施例中为pani)在不同的施加电压下的复折射率(n2，k2)是不同的。如图2d所示，由于光通过pani的异常透射取决于复折射率(n2，k2)，因此异常透射可以通过施加的电压(v)来修正。在第一物质(6a)是pmma并且第一物质(6a)和第二物质(6b)以交替的行(8a、8b)施加在散射结构(5a，5b，1，9)上的情况下，光强度连续增加，直到施加的电压(v)达到大约0.6v(“开”)(所有提到的电化学电势都是相对于ag/agcl参考电极测量的)。这可以解释为通过电化学调节逐渐改变pani的折射率，而pmma的折射率保持不变。如图3a所示，在大约-0.2v(“关”)的施加电压(v)下可以观察到光强度的最小值。
69.上升(“关
→
开”)和下降(“开
→
关”)过程的开关时间τ分别大约为48ms和35ms，如图3b所示。图3c示出了“开”(0.6v)与“关”(0.2v)状态之间的转变过程，在至少100个周期内没有表现出明显的退化。如图3a至图3c所示，测试的光学组件(1)在其开关特性方面提供了优异的性能，包括快速开关速度、高光强度对比度和优异的可逆性。
70.超表面(2)的响应可以通过在其电化学生长期间控制导电聚合物的厚度来原位监测和优化。超表面(2)的操作是电化学驱动的，表现出优异的性能，具有高达1000:1的高强度对比度，约毫秒级的快速开关速率，以及超过100个周期而没有显著退化的显著可逆性。
71.图4c示出了光学组件(1)的超表面(2)的sem图像。所示出的棒(5，5a，5b)布置成交替的行(8a，8b)。第一行(81)和第三行(83)(从上往下)的棒被pmma覆盖，第二行(82)和第四行(84)的棒被pani覆盖。左下角的比例尺表示200nm的长度。从图3c可以得出，金棒(5，5a，5b)被pmma(6a)覆盖的行(81至8
2n+1
)被均匀地覆盖。与之相比，pani(6b)仅存在于第二行(82)和第四行(84)的棒(82至8
2n
)的直接周围。因此，pani(6b)没有沿着偶数行(82至8
2n
)形成连续的带。
72.图4d示出了光学组件(左)(1)的超表面(2)的afm图像。在右侧，示出了两个选定高度轮廓的叠加。在左侧的afm图像中，测量高度轮廓所沿着的行示出为行(l1，l2)。由于已知纳米棒(5，5a，5b)的高度为50nm，所以金纳米棒(5a)上的pani涂层(6a)的厚度t
pani
可以确定为大约50nm。高度轮廓证实了奇数行(81至8
2n+1
)和偶数行(82至8
2n
)的金棒(5，5a，5b)的不同覆盖。穿过每行(8)的相邻纳米棒(5，5a，5b)之间的间隔的沿灰色(l1)指示的行的高度轮廓显示出沿偶数行(82行8
2n
)的宽度非常小的高度，而沿奇数行(81至8
2n+1
)的宽度的高度轮廓为大约100nm。因此，对于两个测量行(l1，l2)，沿着奇数行(81至8
2n+1
)的宽度的高度轮廓是相似的，与行(l1，l2)是否穿过纳米棒(5a)无关。与之相比，两个测量行(l1，l2)的高度轮廓在穿过偶数行(82至8
2n
)时显著不同，这取决于相应的行(l1，l2)是否穿过纳米棒(5b)。
73.图4b示出了pani(5b)在超表面样品(1)上电化学沉积的循环伏安图。使用了从-0.2v至0.8v的电势范围和25mv/s的扫描速度。
74.图4a示出了一个实验装置的示意图。ito(工作电极3)上的超表面(2)与pt线(反电极4)和ag/agcl参比电极一起浸入玻璃池中的电解质中。右旋圆偏振光(rcp)以法向入射照射到样品上，记录异常透射的强度。
75.图4e示出了原位记录的pani(6b)生长期间异常透射的归一化强度。当强度达到最小值时(周期36，圆圈)，电化学过程停止。强度对比度定义为最大强度与最小强度之比，高达860:1。
76.本发明具有实现多种光学功能的巨大潜力，例如用于通信系统的光开关和用于数据存储的动态全息。
77.如果申请文件中公开的所有特征单独地或组合地相对于现有技术是新颖的，则它们被认为是本发明的必要特征。

技术特征：
1.一种光学组件(1)，包括布置在第一衬底(3)的表面上的平面的超表面(2)和在所述超表面(2)上方沿高度方向z布置的顶层(4)，其中所述超表面(2)包括散射结构(5，5a，5b)的阵列(9)，其中所述阵列(9)是单位单元(7)的重复图案，其中单位单元(7)包括至少两种不同的散射结构(5，5a，5b)，其特征在于：所述超表面(2)的光学性质可由控制信号控制，其中第一散射结构(5a)至少部分地接触具有第一折射率的第一物质(6a)的层，并且第二散射结构(5b)至少部分地接触第二物质(6b)的层，所述第二物质(6b)不同于所述第一物质(6a)并且根据所述控制信号提供可变的折射率。2.根据权利要求1所述的光学组件(1)，其特征在于：所述第二物质(6b)包括聚合物，优选导电聚合物和/或电致变色聚合物，其可在氧化态与还原态之间转变，优选可在氧化态与还原态之间电化学转变，更优选包括共轭双键和/或共轭p-轨道的聚合物，更优选多个芳环，最优选取代或未取代的聚苯胺。3.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述散射结构(5，5a，5b)包括金属，其中所述金属优选选自包括钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、铼、铜和金的组，其中所述散射结构(5，5a，5b)优选主要由这些金属中的一种或多种组成，其中所述散射结构(5，5a，5b)优选包括至少95％，优选≥98％，更优选≥99％，最优选≥99.5％的这些金属中的一种，优选金。4.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述散射结构(5，5a，5b)被部署为光学天线，优选以棒的形式，其优选在所述超表面(2)的平面中取向，更优选在空间变化的取向中取向。5.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：阵列中的所述第一和/或第二散射结构(5，5a，5b)的几何形状和大小相差≤5％，优选≤3％，更优选≤1％，并且最优选相同，其中所述散射结构(5，5a，5b)的尺寸优选小于待由所述光学组件操纵的入射电磁辐射的波长和/或其中所述散射结构(5，5a，5b)之间的间距优选小于待由所述光学组件(1)操纵的所述入射电磁辐射的所述波长的一半。6.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述超表面(2)的所述光学性质可在小于500ms内从第一光学性质转变到第二光学性质，优选≤250ms，优选≤100ms，更优选≤50ms，最优选≤35ms。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述第一衬底(3)与所述顶层(4)之间的体积的高度是所述散射结构(5，5a，5b)的高度的至少3倍，优选≥5倍，更优选≥10倍，更优选≥20倍，最优选≥50倍，其中介质，优选液体介质，更优选导电介质，最优选离子溶液布置在所述体积中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述第一物质(6a)包括电介质材料，优选电介质聚合物，更优选丙烯酸酯聚合物，最优选聚甲基丙烯酸甲酯，并且优选至少部分包围所述第一散射结构(5，5a)，更优选在不接触所述第一衬底(3)的所有侧面接触所述第一散射结构(5，5a)。9.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述第一和/或第二散射结构(5，5a，5b)提供圆柱体或平行六面体的几何形状，优选直圆柱体或矩形立方体的几何形状，其中纵向延伸优选在100-400nm的范围内，优选150-300nm，更优选175-225nm，最优选约200nm，并且垂直于纵向方向的宽度延伸在10-200nm的范围内，优选20-150nm，更优选30-100nm，最优选50-80nm，其中立方体或不规则圆柱体的两个宽度延伸可以独立地选自这些优选范围。10.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述第二物质(6b)的所述可变的折射率的实部n和/或虚部κ可通过所述控制信号变换为所述第一物质的相应值。11.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：每个单位单元(7)包括一行(8a)第一散射结构(5a)和一行(8b)第二散射结构(5b)，其中相邻的单位单元(7)相对于彼此布置成使得所述第一和第二散射结构(5，5a，5b)在所述阵列(9)中形成交替的行(8a，8b)。12.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：所述第一衬底(3)包括载体，优选包括二氧化硅，更优选包括石英，最优选由石英组成，其涂覆有导电涂层，优选金属涂层，最优选氧化铟锡涂层。13.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其特征在于：每个单位单元(7)可由所述控制信号(11)独立寻址。14.一种光学设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，其中由于入射电磁辐射的调制相位轮廓，电场的施加导致所述光学设备的光学功能的调制，所述入射电磁辐射透射通过所述光学组件(1)或被所述光学组件(1)反射。15.根据权利要求14的光学设备(100)，其特征在于：所述光学设备是全息设备或透镜或光束控制设备。16.一种用于生产包括平面的超表面(2)、提供可由控制信号控制的光学性质的光学组件的方法，包括以下步骤：提供第一衬底(3)，提供顶层(4)，任选地通过电子束光刻在所述第一衬底(3)的表面上生产散射结构(5，5a，5b)的阵列
(9)，以及通过在所述散射结构(5，5a)的第一部分的表面的至少一部分上施加具有第一折射率的第一物质(6a)和在所述散射结构(5，5b)的第二部分的表面的至少一部分上施加具有第二折射率的第二物质(6b)，在所述阵列中创建包括至少两个不同散射结构(5，5a，5b)的单位单元(7)的重复图案，其中所述第二物质(6b)不同于所述第一物质(6a)并且根据所述控制信号提供可变的折射率。

技术总结
一种光学组件(1)，包括布置在第一衬底(3)的表面上的平面的超表面(2)和在超表面(2)上方沿高度方向Z布置的顶层(4)，其中超表面(2)包括散射结构(5，5a，5b)的阵列(9)，其中阵列(9)是单位单元(7)的重复图案，其中单位单元(7)包括至少两种不同的散射结构，其中超表面(2)的光学性质可由控制信号控制，其中第一散射结构(5，5a)至少部分地接触具有第一折射率的第一物质(6a)的层，并且第二散射结构(5，5b)至少部分地接触第二物质(6b)的层，第二物质不同于第一物质(6a)并且根据控制信号提供可变的折射率。的折射率。的折射率。


技术研发人员：李建雄 罗宾
受保护的技术使用者：马克斯-普朗克科学促进学会
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2023/9/14