LPR: 相变材料Sb2S3-FP共振-相位调制

论文信息：

K. Gao, F. F. Qiang, Z. N. Jia, W. Q. Yang, W. D. Zhang, L. X. Sun, T. Mei, Phase-Change Sb2S3 Multilayer Fabry-Perot Devices: A Novel Approach to Nonvolatile Reprogrammable Multiphase Spatial Modulation，Aser Photonics Rev, (2025).

论文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401683

研究背景

微纳米尺度下光学器件特性的非易失性重构对于推进智能光子学至关重要。在这项研究中，提出了一种非易失性、可重新编程的多相调制的新方法，该方法使用多层薄膜法布里-珀罗器件，其中包含相变Sb2S3，促进了各种应用的低成本定制。这些器件通过薄膜沉积制造，并通过激光直写控制的Sb2S3中间相态具有像素化的多电平相位调制配置。多层结构采用分层策略来控制晶粒尺寸并最小化晶体Sb2S3薄膜中的畴形成，有效地减轻了双折射引起的折射率不均匀性。实验实现了最大反射率相位调制超过1.6 π的多能级相位调制。得到的多相全息图有效地消除了二相全息图中经常遇到的双像效应，证明了该器件全息图像重建的能力。利用相变Sb2S3的独特特性，所提出的无蚀刻、像素化激光写入制造方法为开发适用于广泛智能光子学应用的可重新编程衍射光学元件提供了一个通用平台。

研究内容

本研究提出了一种基于Fabry-Perot (FP)谐振腔的多相空间调制方法。该设计消除了传统的分布式Bragg反射镜，利用Sb2 作为终端反射镜和中S3间层。通过控制Sb2S3的相态，该器件实现了反射相位的显著改变，最大可达1.6以上。此外，由于晶体固有的双折射特性，对Sb2S3状态的局部控制提出了挑战Sb2S3.这些特性，再加上≈20 μm的随机分布的晶粒尺寸，导致折射率分布不均匀。为了解决这一问题，将厚的Sb2S3膜转化为多层薄膜堆，有效地减小了晶体Sb2薄S3的晶粒尺寸，从而减轻了不均匀的折射率分布。利用激光直写有利于精细控制，实现了对每个像素的相位值的独立多尺度管理和低成本可重写的多相全息图。这一技术进步最终实现了多相全息显示，拓宽了相变材料在DOE技术中的潜在应用。

在图1a设计I所示的基本Sb2S3-FP薄膜结构中，Sb2S3层由于其高折射率，既可作为间隔层又可作为半透明反射镜，具有双重用途。为了减轻c-Sb2S3双折射引起的折射率不均匀性，本工作提出了一种分层策略。这种方法包括使用SiO2膜分层成多层膜堆栈。在图1c中，基本Sb2层将单层Sb2S3S3-FP结构(设计I)中164 nm厚的Sb2 薄膜被多层薄膜堆叠(设计II)所取代，其中两S3个65 nm厚的Sb2 层被20 nm厚的SiO2隔开，而这种替换不会S3严重影响光学特性。设计II实现了与设计I相同的Δ r−c，但由于Sb2S3-SiO2界面处的多次反射带来了额外的相移，因此总厚度降低了Sb2S3。如图1d所示，设计II为操作相位调制提供了合理的波长范围。此外，如图1e所示，在FP共振波长为783 nm处，可以得到Δ ~ (1) ~ (1) ~ (2) ~ (1) ~ (2) ~ (2) ~ (3) ~ (2) ~(3) ~ (3) ~ (3) ~ (3)。

图1。反光Sb2S3-FP薄膜结构概念图。a)基本结构示意图。b)完全相变下的反射系数相位调制。在p=50%状态下，标记Dp =50%。虚线表示不同阶的FP共振。c)反射系数(R)和反射相位(变量)。d)φversus p.灰色虚线表示Sb2S3在时延、p=50%和c状态下的共振波长。e,f) Δ变量变量(Δ变量变量=φp−φc，其中φp表示p的中间状态下的反射相位)和R相对于p的结构设计:I. Sillica|Ag-Sb2S3|Air在(a), (b)和(c) (虚线);ii .; (c)、(d)和(e)中的Sillica|Ag-SiO2-(Sb2S3-SiO2)2|Air为783 nm的二阶FP共振;iii; Sillica|Ag-SiO2-(Sb2S3-SiO2)4|Air(f)， 850 nm处的三阶FP共振。在上述薄膜结构公式中，符号Ag、Sb2S3和SiO2表示层及其各自的材料。在设计二和设计三中，Sb2S3层和SiO2层的厚度分别为65 nm和20 nm。

图2a、b所示的极化显微图表明，分层正离子策略有效地降低了各向异性，增强了晶线均匀性。从图2c所示A样品的反射光谱可以看出，二阶FP共振波长从837 nm变为735 nm，完成了晶向非晶的相变。图2d所示的Δ变量的变量的曲线显示出相位调制操作的107 nm的带宽，其中的带宽被定义为最大值Δ变量的变量的一半的全宽度。实验结果与计算结果相当吻合。从图2c所示A样品的反射光谱可以看出，二阶FP共振波长从837 nm变为735 nm，完成了晶向非晶的相变。图2d所示的Δ变量的变量的曲线显示出相位调制操作的107 nm的带宽，其中的带宽被定义为最大值Δ变量的变量的一半的全宽度。实验结果与计算结果相当吻合。现的多电平相位调制。图2f给出了三阶FP共振(波长为880 nm)处的反射率和相位调制随激光能量的变化，当Sb2S3层接近完全非晶态时，达到了1.6的最大相位调制。

图2。样本表征。参考样品a)和样品a b)的偏振显微图。在相互垂直偏振(0°和90°)的照明下获得图像。比例尺:15 μm。样品a的测量和计算的反射率c)和反射相位调制Δφα−cd)与波长的关系。测量和计算的反射光谱e)，测量的反射率和反射相位调制Δφversus样品B的非晶化激光能量f)。

如图3a所示，通过成像和拟合，测量出这些线的宽度为525±22nm(见实验部分)。细线宽度是由于激光的空间高斯分布和激光写入相变过程中的阈值效应而获得的。在全息图设计中，以字母“L”作为目标象。如图3a所示，通过成像和拟合，测量出这些线的宽度为525±22nm(见实验部分)。细线宽度是由于激光的空间高斯分布和激光写入相变过程中的阈值效应而获得的。在全息图设计中，以字母“L”作为目标象。如图2d所示，全息图可以适应宽带宽的工作波长。图3c所示的全息实验结果支持了这一点，该实验利用了600至820 nm的工作波长。

图3。二相全息图制备与全息图像重建。a)左:a试样c-Sb2S3-FP结构上写的光栅显微图。比例尺:5 μm。右:沿着白色虚线标记显微图和拟合曲线的测量强度分布图。b)在波长740 nm处，字母“L”具有不同像素大小的全息图的全息。重构的字母“L”的边缘用图像上1 μm像素尺寸的虚线标出。c)不同波长照射激光的全息图像。

重建的全息图如图4a所示。随着相位级数的增加，一阶图像的强度逐渐减弱。值得注意的是，为了更好地突出重建图像的效果，中心零阶的强度被取消。利用图2f所示的相应激光能量将计算出的全息图刻在B样品上，图4c为三相全息图的样例图像。从制作的全息图重建的全息图像，如图4b所示，表明增加相位电平的数量导致+一阶图像的强度更高，而−一阶图像的强度降低。这一趋势更清楚地体现在它们作为相数函数的比值(I−1∕I +1)上，如图4d所示。这与计算结果相吻合。

图4。多相全息图制备与全息图像重建。计算a)和实验b)用2、3、4和5相全息图重建的−一阶和+一阶全息图像。从左到右的列表示随着相位水平的增加重建的图像。c)写在b样品c-Sb2S3-FP结构上的三相全息图的显微照片(用虚线白色方框突出显示)。标度条:100 μm。d)−一阶和+一阶重建图像的强度比与相位数的关系。强度值为图像中所有像素的积分。

反射率相移的测量:图5a显示了测量设置。为了评估c和αar-eas之间的反射率相移，单色激光被单色仪从脉冲超连续谱激光中分离出来，被分成马赫-曾德in-的两条路径干涉仪在液晶(LC)相位延迟匹配方法中，LC单元提供的相位延迟可以通过参考路径中的电偏置(0-10 V, 1 kHz)进行调整，以确定由于相位变化引起的光学反射相移。，利用位置可调的反射镜实现两条路径之间的零延迟点。将光束聚焦到样品路径中样品表面直径小于2 μm的光斑上。然后在同一分束器(BS)上将参比光束和样品光束组合在一起。由此产生的干涉图样使用膜片进行滤波，中心区域的强度由连接到锁相放大器的光电二极管(PD)记录。原始数据包括强度测量和施加的电压，如图5b所示。LC电池的相位延迟-电压特性是用既定的方法确定的，如图5b所示。通过将施加电压替换为相应的延迟，得到了图5c中与强度相关的LC延迟。在c和αregions之间对强度曲线进行采样，利用两条强度曲线之间的延迟位移推导出光学反射相位。

图5。反射率相移测量。a)原理图。b)锁相放大器记录的强度和LC迟滞与外加电压的关系。c)干涉强度与c和αareas之间LC相位延迟的关系。

结论与展望

综上所述，我们提出了一种基于相变的法布里-珀罗共振多层薄膜结构Sb2S3，用于非易失性可编程多相调制。反射相位是通过Sb2 的相变特性移动FP共振波长来调制的。为了S3解决与晶粒尺寸和畴形成相关的挑战，我们采用了一种分层策略，用更薄层的多层堆叠取代厚的Sb2S3膜，有效地减轻了晶体Sb2 双折射引起的折射率不均匀性。我们的实验S3证明了基于二阶和三阶FP共振的最大反射相位调制分别为1.3和1.6。我们成功地在二阶FP共振器件上制备了二相全息图并实现了全息图像重建，其工作带宽高达220 nm。此外，在三阶FP共振器件上实现了多相全息和全息图像重建，有效地消除了二相全息图像的双像效应。所有写在Sb2S3-FP结构上的定制图案都可以被另一个连续波激光器擦除。所提出的无蚀刻、像素化多相调制器件显示出作为相位调制平台的巨大潜力，为低成本的可重新编程波前控制和衍射神经网络中的定制应用铺平了道路。