УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛУЧА Российский патент 2019 года по МПК G02B26/10 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к лазерной технике, в частности, к управлению направлением распространения лазерного луча.

Описание предшествующего уровня техники

[0002] Управление направлением распространения лазерного луча используется, например, в лазерной печати, лазерном трехмерном (3D) дистанционном зондировании, лазерных локаторах (лидарах), цифровых световых индикаторах, лазерных проекторах и других системах, в которых управление распространением света обеспечивает отображение изображения.

[0003] Большинство современных сканеров, применяющих лазерный луч, используют подвижные зеркала для управления лазерным лучом, приводимые в действие либо электродвигателем, либо гальванометром. Хотя это простое и экономичное решение, но оно подвержено механическим шумам и имеет сокращенный срок службы. В настоящее время существует ряд способов немеханического управления направлением распространения луча. Тем не менее, эти способы не осуществляются компактными устройствами и скорости переключения отклонения луча в них ограничены, что имеет решающее значение для ряда применений, в которых скорость сканирования является ключевой. Поэтому сложной задачей является создание устройства для немеханического управления направлением распространения лазерного луча, которое одновременно имеет малые размеры, быстрое переключение отклонения луча и является эффективным.

[0004] В предшествующем уровне техники известны решения, обеспечивающие управление направлением распространения луча.

[0005] Патент США US 8380025 B2, опубликованный 19.02.2013 под названием «LIQUID CRYSTAL WAVEGUIDE HAVING REFRACTIVE SHAPES FOR DYNAMICALLY CONTROLLING LIGHT», раскрывает жидкокристаллические волноводы для динамического управления преломлением света. Воздействие на жидкокристаллический материал обеспечивает образование преломляющих или линзовых форм. Однако раскрытое техническое решение имеет недостатки, в частности, жидкокристаллические волноводы имеют относительно большие размеры, продолжительное время переключения отклонения луча и отклонение излучения только в одном измерении, т.е. только по одной оси.

[0006] Патентная заявка US 20170153528 A1, опубликованная 01.06.2017 под названием «BEAM STEERING APPARATUS AND SYSTEM INCLUDING THE SAME», раскрывает устройство управления лучом и систему, содержащую такое устройство. Управление лучом осуществляют посредством изменения показателя преломления слоя преобразования с помощью воздействия на него светом, испускаемым встроенным источником света. Однако раскрытое техническое решение имеет недостатки, в частности, упомянутые устройство и система работают только в режиме отражения, имеют низкую дифракционную эффективность и отклонение луча только в одном измерении.

[0007] Патент США US3752563 A, опубликованный 14.08.1973 под названием «MAGNETIC FILM STRIPE DOMAIN DIFFRACTION», раскрывает техническое решение, в котором отклонение луча осуществляют посредством воздействия магнитным полем на оптически активную среду, через которую проходит отклоняемый луч. Однако раскрытое техническое решение имеет недостатки, в частности, низкую дифракционную эффективность и относительно продолжительное время переключения.

[0008] Настоящее изобретение создано для устранения по меньшей мере одного из вышеописанных недостатков и для обеспечения по меньшей мере одного из нижеописанных преимуществ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Целью настоящего изобретения является обеспечение устройства и способа для управления направлением распространения лазерного излучения, которые позволяют получить по меньшей мере одно из следующих преимуществ:

- повышенная дифракционная эффективность;

- возможность работы в режиме пропускания, при котором лазерное излучение проходит через устройство для управления направлением распространения лазерного излучения;

- малое время переключения отклонения лазерного излучения;

- немеханическое управление направлением распространения лазерного луча;

- отклонение лазерного излучения в двух измерениях (по двум осям);

- малые размеры устройства для управления направлением распространения лазерного излучения;

- возможность реализации устройства для управления направлением распространения лазерного излучения в виде единой микросхемы.

[0010] В настоящей заявке раскрыто устройство для управления направлением распространения лазерного излучения, при этом упомянутое устройство содержит: подложку, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и метаповерхность, расположенную на одной стороне подложки, причем упомянутая метаповерхность содержит: первые контакты, расположенные на одной стороне подложки, причем первые контакты выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения; множество наноантенн, расположенных в виде массива, причем каждая из наноантенн содержит по меньшей мере один нанорезонатор, выполненный с возможностью управляемого отклонения упомянутого лазерного излучения, причем нанорезонаторы расположены на первых контактах, при этом каждый из по меньшей мере одного нанорезонатора является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, обладающей малым поглощением для по меньшей мере диапазона длин волн упомянутого лазерного излучения, причем слои p-области, i-области и n-области полупроводниковой p-i-n гетероструктуры расположены параллельно подложке; вторые контакты, расположенные на нанорезонаторах, причем вторые контакты выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения, при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор через упомянутые контакты, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны упомянутого лазерного излучения в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы.

[0011] В дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит дополнительную метаповерхность, аналогичную упомянутой метаповерхности и расположенную на другой стороне подложки, противоположной упомянутой одной стороне подложки.

[0012] В другом дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит изолирующие слои, причем каждый изолирующий слой расположен на каждом втором контакте упомянутой метаповерхности; и дополнительную метаповерхность, аналогичную упомянутой метаповерхности и совмещенную относительно наноантенн с упомянутой метаповерхностью.

[0013] В еще одном дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную подложку, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и по меньшей мере одну дополнительную метаповерхность, аналогичную упомянутой метаповерхности, причем каждая из по меньшей мере одной дополнительной метаповерхности расположена на одной стороне каждой из по меньшей мере одной дополнительной подложки.

[0014] В еще одном дополнительном аспекте на другую сторону подложки, противоположную упомянутой одной стороне подложки, нанесен отражающий слой.

[0015] В еще одном дополнительном аспекте каждая из наноантенн выполнена из трех полупроводниковых p-i-n гетероструктур, каждая из которых обладает малым поглощением для диапазона длин волн одного из трех цветов, причем три полупроводниковых p-i-n гетероструктуры выполнены с возможностью отображения цветного изображения, и причем слои p-областей, i-областей и n-областей полупроводниковых p-i-n гетероструктур расположены параллельно подложке.

[0016] В еще одном дополнительном аспекте устройство дополнительно содержит две дополнительных подложки, выполненных из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и две дополнительных метаповерхности, аналогичных упомянутой метаповерхности, причем каждая из двух дополнительных метаповерхностей расположена на одной стороне каждой из двух дополнительных подложек, при этом полупроводниковые p-i-n гетероструктуры каждой из трех метаповерхностей обладают малым поглощением для диапазона длин волн каждого из трех цветов для отображения цветного изображения.

[0017] В еще одном дополнительном аспекте в одном градиенте фазы разность между фазами, вызванными в соседних нанорезонаторах, формирующих один упомянутый градиент фазы, составляет 2π/N, где N - количество нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы, при этом степень отклонения упомянутого лазерного излучения зависит от количества нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы.

[0018] В еще одном дополнительном аспекте нанорезонаторы выполнены из полупроводниковых соединений A^IIIB^V.

[0019] В еще одном дополнительном аспекте нанорезонатор выполнен в виде фигуры, имеющей сечение, параллельное плоскости подложки, в форме по меньшей мере одного из квадрата, прямоугольника, треугольника, круга, овала.

[0020] В еще одном дополнительном аспекте нанорезонатор выполнен в виде фигуры с полостью в центре.

[0021] В еще одном дополнительном аспекте контакты, расположенные на подложке, являются сплошным слоем, общим для всех нанорезонаторов, к которым относятся упомянутые контакты.

[0022] В еще одном дополнительном аспекте контакты, расположенные на удалении от подложки, выполнены в виде полос, причем каждая полоса является общим контактом для нанорезонаторов в одной строке или столбце массива наноантенн.

[0023] В еще одном дополнительном аспекте контакты, расположенные на подложке, выполнены в виде полос, причем каждая полоса является общим контактом для нанорезонаторов в одной строке или столбце массива наноантенн, и причем полосы, образующие контакты, расположенные на подложке, и полосы, образующие контакты, расположенные на удалении от подложки, перпендикулярны друг другу.

[0024] В еще одном дополнительном аспекте p-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит один или более полупроводниковых слоев, в котором i-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит один или более полупроводниковых слоев, и в котором n-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит один или более полупроводниковых слоев.

[0025] В еще одном дополнительном аспекте p-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит по меньшей мере два разных полупроводниковых слоя, и в котором n-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит по меньшей мере два разных полупроводниковых слоя.

[0026] В еще одном дополнительном аспекте каждая из множества наноантенн содержит множество нанорезонаторов.

[0027] Кроме того, в настоящей заявке раскрыт способ управления направлением распространения лазерного излучения, состоящий в том, что подают напряжения на нанорезонаторы, причем каждый нанорезонатор является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны лазерного излучения, проходящего через нанорезонаторы, в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы.

[0028] В дополнительном аспекте в одном градиенте фазы разность между фазами, вызванными в соседних нанорезонаторах, формирующих один упомянутый градиент фазы, составляет 2π/N, где N - количество нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы, при этом степень отклонения упомянутого лазерного излучения зависит от количества нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0029] Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0030] Фиг. 1 изображает часть устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0031] Фиг. 2 изображает один вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0032] Фиг. 3 изображает другой вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0033] Фиг. 4 изображает еще один вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0034] Фиг. 5 изображает еще один вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0035] Фиг. 6 изображает еще один вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0036] Фиг. 7 изображает еще один вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0037] Фиг. 8 изображает еще один вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения.

[0038] Фиг. 9 изображает вариант осуществления нанорезонатора.

[0039] Фиг. 10 изображает вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения, в котором каждая наноантенна содержит два нанорезонатора.

[0040] Фиг. 11 изображает вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения, в котором каждая наноантенна содержит три нанорезонатора.

[0041] В последующем описании, если не указано иное, одинаковые ссылочные позиции используются для одинаковых элементов, когда они изображены на разных чертежах, и их параллельное описание не приводится.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0042] Нижеследующее описание со ссылкой на прилагаемые чертежи приведено, чтобы облегчить полное понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заданного формулой изобретения, и его эквивалентов. Описание включает в себя различные конкретные подробности, чтобы облегчить такое понимание, но данные подробности следует считать только примерными. Соответственно, специалисты в данной области техники обнаружат, что можно разработать различные изменения и модификации различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, описания общеизвестных функций и конструкций могут быть исключены для ясности и краткости.

[0043] Термины и формулировки, используемые в последующем описании и формуле изобретения не ограничены библиографическим значениями, а просто использованы создателем настоящего изобретения, чтобы обеспечить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что последующее описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается только для иллюстрации.

[0044] Следует понимать, что формы единственного числа включают в себя множественность, если контекст явно не указывает иное.

[0045] Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящей заявке, означают присутствие изложенных признаков, значений, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, значений, операций, элементов, компонентов и/или их групп.

[0046] В дальнейшем, различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.

[0047] Принцип работы настоящего изобретения пояснен со ссылкой на фиг. 1.

[0048] На фиг.1 изображена часть устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения, которое содержит подложку 101 и одну метаповерхность, расположенную на одной стороне подложки. Подложка выполнена из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению. Материалом подложки может быть, например, стекло, кварц, Al₂O₃ и тому подобное. Указанные материалы приведены только для пояснения выбора материалов для подложки и не предназначены для ограничения изобретения. Метаповерхность содержит наноантенны, каждая из которых включает в себя один нанорезонатор, выполненный в виде полупроводниковой p-i-n гетероструктуры, содержащей p-область 105, i-область 104 и n-область 103, и контакты 102, 106 для подачи напряжений на нанорезонаторы. Контакты 102, 106 выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения. Материалом контактов 102, 106 может быть, например, ITO, ISO, FTO, легированные цинком оксиды, проводящие полимеры, металлические контактные сетки, материал с углеродными нанотрубками, графен, сетки из проводников нанометрового размера, ультратонкие металлические пленки и тому подобное. Указанные материалы приведены только для пояснения выбора материалов для контактов и не предназначены для ограничения изобретения.

[0049] Через устройство 100 пропускают лазерное излучение с длиной волны λ. Лазерное излучение взаимодействует со связанными носителями полупроводниковой p-i-n гетероструктуры и вызывает резонанс на длине волны λ лазерного излучения. Материалы p-области 105, i-области 104 и n-области 103 выбраны так, чтобы они обладали малым поглощением для длин волн пропускаемого лазерного излучения, и чтобы пропускаемое лазерное излучение при взаимодействии с выбранным материалом вызывало резонанс на длине волны λ лазерного излучения. Например, для лазерного излучения красного цвета p-область 105 и n-область 103 могут быть выполнены из AlGaAs, а i-область 104 выполнены из GaAs, для лазерного излучения синего цвета p-область 105, i-область 104 и n-область 103 могут быть выполнены из InGaN, для лазерного излучения зеленого цвета p-область 105, i-область 104 и n-область 103 могут быть выполнены из GaP. Указанные материалы приведены только для пояснения выбора материалов для p-области 105, i-области 104 и n-области 103 и не предназначены для ограничения изобретения. Материалы для p-области 105, i-области 104 и n-области 103, которые обладают малым поглощением для конкретных длин волн излучения, широко известны специалистам в данной области техники, и выбор материалов обусловлен длинами волн пропускаемого лазерного излучения.

[0050] Материалы для p-области 105, i-области 104 и n-области 103 могут быть выбраны такими, чтобы они обладали малым поглощением для широкого диапазона длин волн излучения от ультрафиолетового спектра до инфракрасного спектра, или требуемой части спектра, из которой состоит пропускаемое лазерное излучение. При таком выборе материала размеры и форму нанорезонаторов выбирают так, чтобы лазерное излучение вызывало резонанс на требуемой длине волны λ лазерного излучения. Размеры нанорезонатора сопоставимы с требуемой длиной волны λ лазерного излучения и меньше требуемой длины волны λ лазерного излучения. Чем больше нанорезонатор, тем больше длина волны отклоняемого лазерного излучения. В качестве примера, для диапазона длин волн лазерного излучения красного цвета размеры составляют менее 900 нанометров.

[0051] На фиг. 1 области полупроводниковой p-i-n гетероструктуры расположены относительно подложки в порядке p-область 105, i-область 104 и n-область 103. Однако изобретение не ограничено показанным порядком расположения областей. Области полупроводниковой p-i-n гетероструктуры могут быть также расположены относительно подложки в порядке n-область 103, i-область 104 и p-область 105.

[0052] На нанорезонаторы подаются напряжения V₁, V₂ и V₃, в частности, на один нанорезонатор подается напряжение V₁, на другой нанорезонатор подается напряжение V₂, и на третий нанорезонатор подается напряжение V₃, при этом напряжения V₁, V₂ и V₃ отличаются друг от друга.

[0053] Каждое из напряжений V₁, V₂ и V₃ вызывает инжекцию носителей в нанорезонаторах. Инжекция носителей вызывает изменение показателя преломления n и показателя поглощения k в нанорезонаторах. Изменение показателя преломления n и показателя поглощения k в нанорезонаторах вызывает смещение резонанса, что приводит к сдвигу фазы волны лазерного излучения в соответствующем нанорезонаторе. Смещение резонанса позволяет получить сдвиг фазы волны лазерного излучения от 0 до 2π. Поскольку на каждый нанорезонатор подается напряжение, отличающееся от напряжений, поданных на другие нанорезонаторы, концентрация свободных носителей в каждом нанорезонаторе отличается от концентраций свободных носителей в других нанорезонаторах, и, следовательно, изменения показателя преломления n и показателя поглощения k в нанорезонаторах отличаются друг от друга, и сдвиги фазы волны лазерного излучения в нанорезонаторах отличаются друг от друга. Напряжения V₁, V₂ и V₃ выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиент фазы.

[0054] Лазерное излучение отклоняется в соответствии с градиентом фазы, образованным сдвигами фазы волны лазерного излучения в нанорезонаторах. Угол α отклонения лазерного излучения равен atan(λ/Г), где λ - длина волны лазерного излучения, а Г - длина части подложки, на которой находятся нанорезонаторы, образующие градиент фазы.

[0055] Принцип отклонения лазерного излучения пояснен со ссылкой на конструкцию устройства 100, изображенную на фиг. 1, однако варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены конструкцией, изображенной на фиг. 1.

[0056] Наноантенны в устройстве 100 размещены в виде массива. Массив наноантенн может представлять собой матрицу NхM, при этом N может быть равно M, или N может быть не равно M. Кроме того, местоположения наноантенн в одной строке и/или столбце могут быть смещены относительно местоположений наноантенн в другой строке и/или столбце. Расстояние между соседними наноантеннами может составлять несколько сотен нанометров.

[0057] Диапазон длин волн лазерного излучения, которое способно отклонять устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения составляет приблизительно от 350 нм до 10000 нм.

[0058] Пропускание лазерного излучения через устройство 100, содержащее подложку и одну метаповерхность составляет более 80%. Если устройство 100 содержит две подложки, каждая их которых содержит одну метаповерхность, и одна подложка расположена над другой подложкой, то пропускание лазерного излучения через устройство 100 составляет приблизительно 60%.

[0059] В устройстве 100, содержащем одну метаповерхность, диапазон угла отклонения лазерного излучения относительно одной оси составляет от -15° (345°) до 15°, а диапазон угла отклонения лазерного излучения относительно другой оси составляет от -5° (355°) до 5°. Для увеличения угла отклонения лазерного излучения устройство 100 включает в себя по меньшей мере одну дополнительную метаповерхность.

[0060] Используемый в настоящем изобретении способ переключения отклонения лазерного излучения обеспечивает малое время переключения отклонения лазерного излучения, которое составляет менее 1 наносекунды, низкое энергопотребление и высокую дифракционную эффективность (отношение интенсивности падающего на устройство 100 излучения к интенсивности отклоненного излучения), которая составляет более 10%.

[0061] Варианты осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения будут описаны подробнее со ссылкой на прилагаемые чертежи.

[0062] В одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения содержит подложку 101, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство 100 и подлежащего отклонению; и метаповерхность, расположенную на одной стороне подложки 101, причем упомянутая метаповерхность содержит: первые контакты 102, расположенные на одной стороне подложки 101, причем первые контакты 102 выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения; множество наноантенн, расположенных в виде массива, причем каждая из наноантенн содержит по меньшей мере один нанорезонатор, выполненный с возможностью управляемого отклонения упомянутого лазерного излучения, причем нанорезонаторы расположены на первых контактах 102, при этом каждый из по меньшей мере одного нанорезонатора является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, обладающей малым поглощением для по меньшей мере диапазона длин волн упомянутого лазерного излучения, причем слои p-области 105, i-области 104 и n-области 103 полупроводниковой p-i-n гетероструктуры расположены параллельно подложке; вторые контакты 106, расположенные на нанорезонаторах, причем вторые контакты 106 выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения, при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор через упомянутые контакты 102 и 106, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны упомянутого лазерного излучения в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы.

[0063] При подаче напряжений отдельно на каждый нанорезонатор возможно отклонять лазерное излучение в двух измерениях относительно плоскости подложки.

[0064] В другом варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения в дополнение к конструкции, описанной выше в отношении фиг. 2, содержит дополнительную метаповерхность расположенную на другой стороне подложки 101, противоположной той стороне подложки 101, на которой расположена метаповерхность, описанная в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2. Дополнительная метаповерхность аналогична метаповерхности, которая описана в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2.

[0065] В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 4, устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения в дополнение к конструкции, описанной выше в отношении фиг. 2, содержит изолирующие слои 108, причем каждый изолирующий слой 108 расположен на каждом втором контакте 106 метаповерхности, описанной в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2; и дополнительную метаповерхность совмещенную относительно наноантенн с метаповерхностью, описанной в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2. Дополнительная метаповерхность аналогична метаповерхности, которая описана в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2.

[0066] В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения в дополнение к конструкции, описанной выше в отношении фиг. 2, содержит по меньшей мере одну дополнительную подложку 101, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и по меньшей мере одну дополнительную метаповерхность, аналогичную метаповерхности, описанной в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, причем каждая из по меньшей мере одной дополнительной метаповерхности расположена на одной стороне каждой из по меньшей мере одной дополнительной подложки 101.

[0067] Если метаповерхности в каждом из вариантов осуществления устройства 100, изображенных на фиг. 3, 4, 5, предназначены для отклонения лазерного излучения в двух измерениях относительно плоскости подложки 101, или каждая из метаповерхностей предназначена для отклонения лазерного излучения в одном измерении относительно плоскости подложки 101, причем измерения, в которых отклоняются лазерные излучения параллельны друг другу, то возможно увеличить диапазон угла отклонения лазерного излучения до 2 раз.

[0068] Если каждая из метаповерхностей в каждом из вариантов осуществления устройства 100, изображенных на фиг. 3, 4, 5, предназначена для отклонения лазерного излучения в одном измерении относительно плоскости подложки 101, причем измерения, в которых отклоняются лазерные излучения перпендикулярны друг другу, то в данных вариантах осуществления устройство 100 способно отклонять лазерное излучение в двух измерениях относительно плоскости подложки 101, при этом нагрузка на каждую метаповерхность снижается.

[0069] В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 6, устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения в дополнение к конструкции, описанной выше в отношении фиг. 2, дополнительно содержит отражающий слой 107, нанесенный на другую сторону подложки, противоположную той стороне подложки, на которой расположена метаповерхность.

[0070] Устройство 100 данного варианта осуществления предназначено для работы в режиме отражения, в котором лазерное излучение падает на устройство 100 со стороны метаповерхности.

[0071] В еще одном варианте осуществления устройства 100, изображенном на фиг. 7, каждая из наноантенн выполнена из трех полупроводниковых p-i-n гетероструктур, каждая из которых обладает малым поглощением для диапазона длин волн одного из трех цветов, причем три полупроводниковых p-i-n гетероструктуры выполнены с возможностью отображения цветного изображения, и причем слои p-областей 105, i-областей 104 и n-областей 103 полупроводниковых p-i-n гетероструктур расположены параллельно подложке.

[0072] Конструкция устройства 100, способного отображать цветное изображение, не ограничена вариантом осуществления, изображенным на фиг. 7.

[0073] В вариантах осуществления устройства 100, изображенных на фиг. 3, 4, 5, 6, каждая из наноантенн также может быть выполнена из трех полупроводниковых p-i-n гетероструктур, каждая из которых обладает малым поглощением для диапазона длин волн одного из трех цветов, причем три полупроводниковых p-i-n гетероструктуры выполнены с возможностью отображения цветного изображения, и причем слои p-областей 105, i-областей 104 и n-областей 103 полупроводниковых p-i-n гетероструктур расположены параллельно подложке.

[0074] В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 8, устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения в дополнение к конструкции, описанной выше в отношении фиг. 2, дополнительно содержит две дополнительных подложки 101, выполненных из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и две дополнительных метаповерхности, аналогичных метаповерхности, описанной в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, причем каждая из двух дополнительных метаповерхностей расположена на одной стороне каждой из двух дополнительных подложек 101, при этом полупроводниковые p-i-n гетероструктуры каждой из трех метаповерхностей обладают малым поглощением для диапазона длин волн каждого из трех цветов для отображения цветного изображения.

[0075] При отклонении лазерного излучения в одном градиенте фазы разность между фазами, вызванными в соседних нанорезонаторах, формирующих один упомянутый градиент фазы, может составлять 2π/N, где N - количество нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы, при этом степень отклонения упомянутого лазерного излучения зависит от количества нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы.

[0076] Предпочтительно нанорезонаторы выполнены из полупроводниковых соединений A^IIIB^V, поскольку полупроводниковые соединения A^IIIB^V обладают низким оптическим поглощением, и поэтому являются материалами с малыми потерями. Кроме того, полупроводниковые соединения A^IIIB^V обладают возможностью значительной модуляции их оптических свойств вблизи полупроводниковой запрещенной зоны.

[0077] Нанорезонаторы могут быть выполнены в виде фигур, имеющих сечение, параллельное плоскости подложки 101, в форме по меньшей мере одного из квадрата, прямоугольника, треугольника, круга, овала. Однако данное изобретение не ограничено указанными формами сечения.

[0078] Нанорезонаторы могут быть выполнены в виде фигур с полостью в центре, например, как изображено на фиг. 9. Однако данное изобретение не ограничено вариантом, изображенным на фиг. 9, и может иметь любую форму с полостью в центре.

[0079] Контакты 102, расположенные на подложке 101, могут быть выполнены в виде сплошного слоя, общего для всех нанорезонаторов, на которые подается напряжение через контакты 102.

[0080] Контакты 106, расположенные на удалении от подложки 101, могут быть выполнены в виде полос, причем каждая полоса является общим контактом для нанорезонаторов в одной строке или столбце массива наноантенн. Метаповерхность, содержащая такую конструкцию контактов 106, способна отклонять лазерное излучение только в одном измерении.

[0081] Контакты 102, расположенные на подложке 101, могут быть выполнены в виде полос, причем каждая полоса является общим контактом для нанорезонаторов в одной строке или столбце массива наноантенн, и причем полосы, образующие контакты 102, расположенные на подложке 101, и полосы, образующие контакты 106, расположенные на удалении от подложки 106, перпендикулярны друг другу. Метаповерхность, содержащая такую конструкцию контактов 102 и 106, способна отклонять лазерное излучение только в одном измерении.

[0082] Каждая из p-области 105, i-области 104 и n-области 103 полупроводниковой p-i-n гетероструктуры может содержать один или более полупроводниковых слоев.

[0083] Каждая из p-области 105 и n-области 103 полупроводниковой p-i-n гетероструктуры может содержать по меньшей мере два разных полупроводниковых слоя.

[0084] Каждая из множества наноантенн может содержать множество нанорезонаторов. На фиг. 10 показан вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения, в котором каждая наноантенна содержит два нанорезонатора, имеющих квадратное поперечное сечение. На фиг. 11 показан вариант осуществления устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения, в котором каждая наноантенна содержит три нанорезонатора, имеющих квадратное поперечное сечение. Однако конструкция устройства 100 для управления направлением распространения лазерного излучения не ограничена приведенными вариантами осуществления. Устройство 100 для управления направлением распространения лазерного излучения может содержать наноантенны с большим количеством нанорезонаторов и как описано выше форма нанорезонаторов не ограничена только нанорезонаторами, имеющими квадратное поперечное сечение.

[0085] Способ управления направлением распространения лазерного излучения состоит в том, что подают напряжения на нанорезонаторы, причем каждый нанорезонатор является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны лазерного излучения, проходящего через нанорезонаторы, в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы.

[0086] В одном градиенте фазы разность между фазами, вызванными в соседних нанорезонаторах, формирующих один упомянутый градиент фазы, может составлять 2π/N, где N - количество нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы, при этом степень отклонения упомянутого лазерного излучения зависит от количества нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы.

[0087] Настоящее изобретение можно применять в любых устройствах с управлением направлением распространения лазерного излучения, например, таких как лидары, лазерные сканеры, пространственные модуляторы света, голографические устройства, проекторы, включая проекторы для проекции на сетчатку глаз, лазерные медицинские устройства, лазерные устройства обработки и т.д.

[0088] Вышеприведенные описания вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными, и модификации конфигурации и реализации не выходят за пределы объема настоящего описания. Например, хотя варианты осуществления изобретения описаны, в общем, в связи с фигурами 2-11, приведенные описания являются примерными. Хотя предмет изобретения описан на языке, характерном для конструктивных признаков или методологических операций, понятно, что предмет изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, не обязательно ограничен конкретными вышеописанными признаками или операциями. Более того, конкретные вышеописанные признаки и операции раскрыты как примерные формы реализации формулы изобретения.

[0089] Соответственно предполагается, что объем варианта осуществления изобретения ограничивается только нижеследующей формулой изобретения.

Использование: для управления направлением распространения лазерного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для управления направлением распространения лазерного излучения содержит: подложку, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и метаповерхность, расположенную на одной стороне подложки, причем упомянутая метаповерхность содержит: первые контакты, расположенные на одной стороне подложки, причем первые контакты выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения; множество наноантенн, расположенных в виде массива, причем каждая из наноантенн содержит по меньшей мере один нанорезонатор, выполненный с возможностью управляемого отклонения упомянутого лазерного излучения, причем нанорезонаторы расположены на первых контактах, при этом каждый из по меньшей мере одного нанорезонатора является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, обладающей малым поглощением для по меньшей мере диапазона длин волн упомянутого лазерного излучения, причем слои p-области, i-области и n-области полупроводниковой p-i-n гетероструктуры расположены параллельно подложке; вторые контакты, расположенные на нанорезонаторах, причем вторые контакты выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения, при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор через упомянутые контакты, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны упомянутого лазерного излучения в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы. Технический результат: обеспечение возможности повышения дифракционной эффективности, работы в режиме пропускания, малого времени переключения, малых размеров устройства. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для управления направлением распространения лазерного излучения, при этом упомянутое устройство содержит:

подложку, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и

метаповерхность, расположенную на одной стороне подложки, причем упомянутая метаповерхность содержит:

первые контакты, расположенные на одной стороне подложки, причем первые контакты выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения;

множество наноантенн, расположенных в виде массива, причем каждая из наноантенн содержит по меньшей мере один нанорезонатор, выполненный с возможностью управляемого отклонения упомянутого лазерного излучения, причем нанорезонаторы расположены на первых контактах, при этом каждый из по меньшей мере одного нанорезонатора является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, обладающей малым поглощением для по меньшей мере диапазона длин волн упомянутого лазерного излучения, причем слои p-области, i-области и n-области полупроводниковой p-i-n гетероструктуры расположены параллельно подложке;

вторые контакты, расположенные на нанорезонаторах, причем вторые контакты выполнены из электропроводящего материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн упомянутого лазерного излучения,

при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор через упомянутые контакты, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны упомянутого лазерного излучения в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

дополнительную метаповерхность, аналогичную упомянутой метаповерхности и расположенную на другой стороне подложки, противоположной упомянутой одной стороне подложки.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

изолирующие слои, причем каждый изолирующий слой расположен на каждом втором контакте упомянутой метаповерхности; и

дополнительную метаповерхность, аналогичную упомянутой метаповерхности и совмещенную относительно наноантенн с упомянутой метаповерхностью.

4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

по меньшей мере одну дополнительную подложку, выполненную из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и

по меньшей мере одну дополнительную метаповерхность, аналогичную упомянутой метаповерхности, причем каждая из по меньшей мере одной дополнительной метаповерхности расположена на одной стороне каждой из по меньшей мере одной дополнительной подложки.

5. Устройство по п. 1, в котором на другую сторону подложки, противоположную упомянутой одной стороне подложки, нанесен отражающий слой.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором каждая из наноантенн выполнена из трех полупроводниковых p-i-n гетероструктур, каждая из которых обладает малым поглощением для диапазона длин волн одного из трех цветов, причем три полупроводниковых p-i-n гетероструктуры выполнены с возможностью отображения цветного изображения и причем слои p-областей, i-областей и n-областей полупроводниковых p-i-n гетероструктур расположены параллельно подложке.

7. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

две дополнительных подложки, выполненных из материала, пропускающего по меньшей мере диапазон длин волн лазерного излучения, падающего на упомянутое устройство и подлежащего отклонению; и

две дополнительных метаповерхности, аналогичных упомянутой метаповерхности, причем каждая из двух дополнительных метаповерхностей расположена на одной стороне каждой из двух дополнительных подложек,

при этом полупроводниковые p-i-n гетероструктуры каждой из трех метаповерхностей обладают малым поглощением для диапазона длин волн каждого из трех цветов для отображения цветного изображения.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором в одном градиенте фазы разность между фазами, вызванными в соседних нанорезонаторах, формирующих один упомянутый градиент фазы, составляет 2π/N, где N - количество нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы, при этом степень отклонения упомянутого лазерного излучения зависит от количества нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы.

9. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором нанорезонаторы выполнены из полупроводниковых соединений A^IIIB^V.

10. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором нанорезонатор выполнен в виде фигуры, имеющей сечение, параллельное плоскости подложки, в форме по меньшей мере одного из квадрата, прямоугольника, треугольника, круга, овала.

11. Устройство по п. 10, в котором нанорезонатор выполнен в виде фигуры с полостью в центре.

12. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором контакты, расположенные на подложке, являются сплошным слоем, общим для всех нанорезонаторов, к которым относятся упомянутые контакты.

13. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором контакты, расположенные на удалении от подложки, выполнены в виде полос, причем каждая полоса является общим контактом для нанорезонаторов в одной строке или столбце массива наноантенн.

14. Устройство по п. 13, в котором контакты, расположенные на подложке, выполнены в виде полос, причем каждая полоса является общим контактом для нанорезонаторов в одной строке или столбце массива наноантенн и причем полосы, образующие контакты, расположенные на подложке, и полосы, образующие контакты, расположенные на удалении от подложки, перпендикулярны друг другу.

15. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором p-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит один или более полупроводниковых слоев, в котором i-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит один или более полупроводниковых слоев и в котором n-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит один или более полупроводниковых слоев.

16. Устройство по п. 15, в котором p-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит по меньшей мере два разных полупроводниковых слоя и в котором n-область полупроводниковой p-i-n гетероструктуры содержит по меньшей мере два разных полупроводниковых слоя.

17. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором каждая из множества наноантенн содержит множество нанорезонаторов.

18. Способ управления направлением распространения лазерного излучения, состоящий в том, что подают напряжения на нанорезонаторы, причем каждый нанорезонатор является полупроводниковой p-i-n гетероструктурой, при этом каждое из напряжений, поданное на соответствующий нанорезонатор, вызывает в соответствующем нанорезонаторе изменение его резонансных свойств за счет инжекции носителей в нанорезонаторе под действием поданного напряжения, что приводит к сдвигу фазы волны лазерного излучения, проходящего через нанорезонаторы, в соответствующем нанорезонаторе, на который подано напряжение, причем напряжения выбираются так, чтобы сдвиги фазы в нанорезонаторах образовывали градиенты фазы, расположенные в одной плоскости, и при этом лазерное излучение отклоняется в соответствии с образованными градиентами фазы.

19. Способ по п. 18, в котором в одном градиенте фазы разность между фазами, вызванными в соседних нанорезонаторах, формирующих один упомянутый градиент фазы, составляет 2π/N, где N - количество нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы, при этом степень отклонения упомянутого лазерного излучения зависит от количества нанорезонаторов, формирующих упомянутый один градиент фазы.