一种动态红外光束偏转器

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，具体而言，涉及一种动态红外光束偏转器。

背景技术

光束偏转器作为一种最基础的光学器件，能够对入射光束进行一定角度的偏折,使光束整体地偏转一个角度出射，光束偏转器是激光雷达探测等应用领域的核心部件。传统的光束偏转器体积庞大或涉及机械移动，难以顺应光学系统的轻薄化和小型化趋势。

超构表面通过改变微纳结构的结构参数可提供高自由度的光场调控，可实现多种光学功能器件的功能，为实现超薄超轻平面光束偏转器提供了强有力的支持。然而，目前通过超构表面实现的光束偏转器大多只能实现一个给定角度的光束偏转，无法实现光束偏转角度的动态调控，适用性较差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种动态红外光束偏转器，可实现光束偏转角度的动态调控，适用性较好。

本申请提供了一种动态红外光束偏转器，包括衬底和多个设置在所述衬底上表面的微纳凸起物；所述衬底由红外透明材料制成；所述微纳凸起物的中心点呈矩阵排布，且所述微纳凸起物的中心点的行间距和列间距相同；每行微纳凸起物由多个单元组沿行向排列组成，每个所述单元组由多个所述微纳凸起物沿行向排列组成; 所述微纳凸起物由光学相变材料制成, 所述光学相变材料能够通过加热改变晶化率，从而从非晶态构型逐渐向晶态构型转变；

沿统一的排列方向，每个所述单元组的各所述微纳凸起物对入射光的相位调控量逐渐增加，且每个所述单元组的各所述微纳凸起物对入射光的相位调控量满足以下关系：

；

其中，

通过使微纳凸起物呈上述的周期性矩阵式分布，能够实现入射光束整体地沿相同角度偏转，避免光束聚焦或扩散；通过加热，可改变微纳凸起物的光学相变材料的晶化率，从而改变其折射率，当入射光束以相同的入射角射向该动态红外光束偏转器，微纳凸起物的不同折射率会导致光束以不同的偏转角度出射；因此，可根据实际需要进行加热，以实现光束偏转角度的动态调控，适用性好。

优选地，每个所述单元组的各所述微纳凸起物对入射光的相位调控量还满足以下条件：

；

其中，

优选地，所述微纳凸起物是横截面为圆形或正方形的柱状结构。

优选地，同一个所述单元组中，沿所述排列方向，各所述微纳凸起物的横截面尺寸逐渐增大。

优选地，所述光学相变材料为锗锑碲、碲化锗、碲化锑或锗锑碲硒。

优选地，所述微纳凸起物的外表面包裹有由红外透明材料制成的保护层，所述保护层的熔点高于所述光学相变材料的熔点。

优选地，所述保护层覆盖所述衬底的上表面。

实际应用中，通过把光学相变材料加热至熔点以上，可以把光学相变材料从晶态构型转换为非晶态构型，在该过程中，可通过保护层保持微纳凸起物的形状不变。

优选地，所述保护层的厚度在工作波长的1/20以下。

优选地，所述衬底的熔点高于所述光学相变材料的熔点。

从而当通过把光学相变材料加热至熔点以上来使光学相变材料从晶态构型转换为非晶态构型的时候，衬底能够保持自身的形状不变，保证动态红外光束偏转器的结构稳定。

优选地，所述衬底由Ge，ZnSe或CaF

可选地，所述微纳凸起物的横截面为正方形；

所述单元组包括八个微纳凸起物，所述八个微纳凸起物的宽度分别为：0.54μm、0.78μm、0.94μm、1.06μm、1.18μm、1.26μm、1.42μm、1.54μm；

所述行间距和所述列间距均为4μm。

有益效果：

本申请提供的动态红外光束偏转器，通过使微纳凸起物呈周期性矩阵式分布，能够实现入射光束整体地沿相同角度偏转，避免光束聚焦或扩散；通过加热，可改变微纳凸起物的光学相变材料的晶化率，从而改变其折射率，当入射光束以相同的入射角射向该动态红外光束偏转器，微纳凸起物的不同折射率会导致光束以不同的偏转角度出射；因此，可根据实际需要进行加热，以实现光束偏转角度的动态调控，适用性好。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种动态红外光束偏转器的俯视图。

图2为本申请实施例提供的动态红外光束偏转器的剖视图。

图3为示例性的动态红外光束偏转器的透过率变化曲线。

图4为示例性的动态红外光束偏转器的偏转角度变化曲线。

图5为示例性的单元组中各微纳凸起物对入射光的相位调控量的变化曲线图。

标号说明：1、衬底；2、微纳凸起物；3、单元组；4、保护层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1-图2，本申请一些实施例中的一种动态红外光束偏转器，包括衬底1和多个设置在衬底1上表面的微纳凸起物2；衬底1由红外透明材料（即可透射红外光的材料）制成；微纳凸起物2的中心点呈矩阵排布，且微纳凸起物2的中心点的行间距和列间距相同；每行微纳凸起物2由多个单元组3沿行向排列组成，每个单元组3由多个微纳凸起物2沿行向排列组成（此处是根据图1中动态红外光束偏转器的放置方向进行描述的，当放置方向旋转90°后，则可描述为每列微纳凸起物2由多个单元组3沿列向排列组成，每个单元组3由多个微纳凸起物2沿列向排列组成）; 微纳凸起物2由光学相变材料制成, 光学相变材料能够通过加热改变晶化率，从而从非晶态构型逐渐向晶态构型转变；

沿统一的排列方向（以图1为例，图中的该排列方向是从左到右，实际上也可从右到左，若图1中动态红外光束偏转器的放置方向旋转90°，则该排列方向可以是从上到下或者从下到上），每个单元组3的各微纳凸起物2对入射光的相位调控量逐渐增加，且每个单元组3的各微纳凸起物2对入射光的相位调控量满足以下关系：

（1）；

其中，

通过使微纳凸起物2沿单一方向呈周期性阵列分布，能够实现入射光束整体地沿相同角度偏转；通过加热，可改变微纳凸起物2的光学相变材料的晶化率，从而改变其折射率，当入射光束以相同的入射角射向该动态红外光束偏转器，微纳凸起物2的不同折射率会导致光束以不同的偏转角度出射；因此，可根据实际需要进行加热，以实现光束偏转角度的动态调控，适用性好。

其中，

例如图5为示例性的单元组3中各微纳凸起物2对入射光的相位调控量的变化曲线图，其中，纵坐标

优选地，每个单元组3的各微纳凸起物2对入射光的相位调控量还满足以下条件：

（2）；

其中，

优选地，微纳凸起物2是横截面为圆形或正方形的柱状结构。从而能够实现对偏振不敏感的光束偏转调控。

为满足公式（1），一般地，同一个单元组3中，沿排列方向，各微纳凸起物2的横截面尺寸逐渐增大。其中，对于横截面为圆形的情况，微纳凸起物2的横截面尺寸是指直径；对于横截面为正方形的情况，微纳凸起物2的横截面尺寸是宽度。

其中，每个单元组3包含的微纳凸起物2的数量可根据实际需要设置，所有单元组3的微纳凸起物2的横截面尺寸的渐变方向一致（例如均为从左到右逐渐增大、均为从右到左逐渐增大、均为从上到下逐渐增大或均为从下到上逐渐增大）。

其中，微纳凸起物2的光学相变材料应该具有非晶态构型和晶态构型两种原子排列方式，且两种构型之间对红外波段的折射率存在明显区别，且通过加热可实现该光学相变材料在非晶态构型和晶态构型之间的逐渐变化（其中晶化率表示光学相变材料从非晶态构型向晶态构型转化的程度），从而可通过控制加热过程来调节晶化率，使微纳凸起物2对红外波段的折射率产生明显变化，最终实现偏转角度的明显改变。

其中，可以但不限于通过激光加热、电加热、温控加热（即通过热传导加热）的至少一种方式来进行加热。一般地，当光学相变材料被加热到晶化温度以上，光学相变材料开始从非晶态构型向晶态构型转变，随着晶化率的逐渐增加，折射率也逐渐增大，当晶化率达到需要的值时停止加热，即可保持晶化率不再变化，因此，在加热条件（如激光强度、电压、加热温度等）不变的情况下，可通过控制加热时间来调节晶化率。

在一些优选实施方式中，光学相变材料的消光系数在0.02以下。从而使动态红外光束偏转器对入射光束的吸收率较小，减小光束的能量损失。

优选地，光学相变材料为锗锑碲、碲化锗、碲化锑或锗锑碲硒。这些材料均能满足上述的性能要求。而且，当把该光学相变材料加热至熔点以上，可以把光学相变材料从晶态构型转换为非晶态构型，从而实现晶化率的循环调节，最终实现光束偏转角度的循环调节。

其中，微纳凸起物2的横截面尺寸应小于相邻的微纳凸起物2的中心点之间的距离，微纳凸起物2的高度优选为与工作波长相差50%以内（用以实现类波导型谐振，其中，工作波长时指工作时入射光束的波长）。

优选地，微纳凸起物2的外表面包裹有由红外透明材料制成的保护层4，保护层4的熔点高于微纳凸起物2的光学相变材料的熔点。实际应用中，通过把光学相变材料加热至熔点以上，可以把光学相变材料从晶态构型转换为非晶态构型，在该过程中，可通过保护层4保持微纳凸起物2的形状不变，避免光学相变材料熔化后无法维持微纳凸起物2的形状。

优选地，见图2，保护层4覆盖所述衬底1的上表面（其中，保护层4不包裹衬底1与微纳凸起物2连接的位置），从而可把所有微纳凸起物2的保护层4连为一体，一方面便于进行加工，另一方面可提高保护层4的牢固性，避免由于循环加热而脱落。

优选地，保护层4的厚度在工作波长（是指工作时使用的入射光的波长）的1/20以下，从而可有效避免保护层4与入射光产生谐振而影响光束的折射角度。

在一些优选实施方式中，保护层4的材料为可以但不限于由Ge，ZnSe或CaF

优选地，衬底1的熔点高于光学相变材料的熔点。从而当通过把光学相变材料加热至熔点以上来使光学相变材料从晶态构型转换为非晶态构型的时候，衬底1能够保持自身的形状不变，保证动态红外光束偏转器的结构稳定。

其中，衬底1可以但不限于由Ge，ZnSe或CaF

在一些优选实施方式中，衬底1的厚度为工作波长的10倍以上。

在一个实施例中，微纳凸起物2的横截面为正方形；其单元组3包括八个微纳凸起物2，该八个微纳凸起物2的宽度分别为：0.54μm、0.78μm、0.94μm、1.06μm、1.18μm、1.26μm、1.42μm、1.54μm；微纳凸起物2的中心点的行间距和列间距相同均为4μm；

微纳凸起物2的光学相变材料为锗锑碲硒（Ge

当不同波长的入射光束垂直地照射到该动态红外光束偏转器上的时候，光束的透过率的变化曲线如图3所示，在图3中，a-state曲线为光学相变材料处于非晶态构型时对应的变化曲线，c-state曲线为光学相变材料处于晶态构型时对应的变化曲线，λ为入射光束的波长。从图3中可以看到，波长为11μm以下的红外光的透过率为0，被全部过滤，该动态红外光束偏转器仅让长波长红外光通过，因此，还能够被用作长波通滤波片。

当不同波长的入射光束垂直地照射到该动态红外光束偏转器上的时候，光学相变材料的不同晶化率对应的偏转角度

综上所述，本申请提供的动态红外光束偏转器，具有以下优点：

1.能够通过单器件实现透射式偏转器的功能，有利于实现光束偏转器的轻薄化和小型化；

2.具备滤波功能，可在实现光束偏转功能的同时，还可起长波通滤波片的作用；

3.可在较宽的波长范围内实现光束偏转角度的连续循环调节，适用性好；

4.可通过激光加热、电加热、温控加热等方式进行偏转角度的调节，调控方式灵活多样，实用性好。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。