可见光波段全介质自旋复用与方向复用超全息图的演示

摘要

我们提出了一种用于制备自旋与方向复用的可见光超全息图的方案，并通过光学实验验证其功能。这些超全息图能够直观地显示编码信息，因此可用于投影式体显示和信息加密。

摘要

基于超表面的光学全息技术作为一种新颖的方法，能够以超薄且近乎平面的光学器件形式实现投影式体显示和信息加密显示。与采用空间光调制器的传统全息技术相比，超表面全息图（metahologram）具有诸多优势，例如光学系统的小型化、更高的图像分辨率以及更宽的全息图像可视范围。本文报道了一种对入射光的自旋态和传播方向敏感的光学超表面全息图的制备及光学表征方案。该超表面由氢化非晶硅（a-Si:H）构成，在整个可见光波段具有高折射率和低消光系数，因而可实现高透射率和高衍射效率。当入射光的自旋态或传播方向改变时，器件可生成不同的全息图像，因此能够同时编码多种类型的视觉信息。制备流程包括薄膜沉积、电子束光刻及后续刻蚀工艺。所制备的器件可通过定制的光学系统进行表征，该系统由激光器、线性偏振片、四分之一波片、透镜和电荷耦合器件（CCD）组成。

引言

由亚波长纳米结构组成的光学超构表面已实现多种有趣的光学现象，包括光学隐身¹、负折射²、完美光吸收³、彩色滤波⁴、全息图像投影⁵以及光束调控^6,7,8。具有合理设计散射单元的光学超构表面能够调制光的光谱、波前和偏振态。早期的光学超构表面主要采用贵金属（如 Au、Ag）制备，因其具有高反射率且易于纳米加工，但其欧姆损耗较高，导致在可见光短波长范围内效率较低。

用于在可见光范围内具有低损耗的电介质材料（例如 TiO₂⁹、GaN¹⁰ 和 a-Si:H¹¹）的纳米制造技术的发展，使得基于光学超表面的高效率平面光学器件得以实现。这些器件在光学与工程领域具有广泛应用。其中一个引人注目的应用是用于投影式体显示和信息加密的光学全息技术。与使用空间光调制器的传统全息技术相比，超表面全息器件（metahologra....

方案

1. 器件制备

注意：图1 展示了非晶硅（a-Si:H）超表面的制备过程¹⁷。

1. 准备一块熔融石英晶片（尺寸 = 2 cm × 2 cm，厚度 = 500 µm）作为基底。用丙酮和异丙醇（IPA）冲洗基底，然后通入氮气吹干。
2. 采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在基底上沉积一层厚度为 380 nm 的非晶硅氢（a-Si:H）薄膜，沉积参数如下：腔室温度 = 300 °C；射频功率 = 800 W；气体流速 = SiH₄ 为 10 sccm，H₂ 为 75 sccm；工艺压力 = 25 mTorr；时间 = 30 s。
3. 旋涂电子束光刻胶。将 PMMA A2 型聚甲基丙烯酸甲酯滴加至基底表面，以 2,000 rpm 的转速旋涂 1 分钟。
4. 将涂有光刻胶的基底置于热板上，于 180 °C 下烘烤 5 分钟。
5. 旋涂一层导电聚合物以防止电子束写入过程中电荷积累。将导电聚合物（如 Espacer）滴加至基底表面，以 2,000 rpm 的转速旋涂 1 分钟。
6. 使用加速电压为 80 kV、束流为 50 pA 的条件进行电子束光刻。
7. 将样品浸入去离子水（DI 水）中 2 分钟，....

结果

氢化非晶硅（a-Si:H）超表面具有高交叉偏振效率，并可通过与CMOS工艺兼容的方法制备（图1），这一特性有助于实现大规模制造及近期商业化应用。扫描电镜（SEM）图像展示了所制备的a-Si:H超表面结构（图2）。此外，a-Si:H的折射率高于TiO₂和GaN，因此即使纳米结构的高宽比仅为约4.7，仍可实现具有高衍射效率的a-Si:H超全息器件。在633 nm波长下的计算效率为74%，实测效率为61%。

一种自旋复用超表面全息图可以通过简单地翻转入射圆偏振光的手性来切换投射的全息图像（图3a）。为了设计这种自旋复用超表面全息图，使用了两种类型的超表面；它们能够根据入射光是左旋还是右旋圆偏振产生不同的响应。采用Gerchberg-Saxton算法计算出对应于离轴全息图像的相位图。结果表明，根据输入光束的偏振态，可实时高保真地切换“ITU”和“RHO”全息图像（

讨论

非晶硅（a-Si:H）超表面的制备主要包括三个关键步骤：采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法沉积a-Si:H薄膜、精确的电子束光刻（EBL）以及干法刻蚀。其中，电子束光刻的写入过程最为关键。首先，超表面的图案密度非常高，因此需要对电子束剂量（能量）以及单位面积内的扫描点数等扫描参数进行精确控制。显影条件也需谨慎选择。由于图案密度极高，若显影过程进行得过快，纳米柱状结构的图案将无法清晰定义，反而会相互连接。为避免此问题，并形成适当的负倾角光刻胶轮廓以利于后续剥离，采用了低温显影技术，即将显影过程在2−4 °C条件下进行。此外，还可采用双层胶工艺以简化剥离过程，该方法使用两种分子量和在显影液中溶解性不同的光刻胶。另外，在刻蚀过程中，应通过调节刻蚀工艺使侧壁轮廓尽可能接近90°。

应对制备的超表面进行严格的扫描电子显微镜（SEM）和光学表征。通过观察所制备结构的SEM图像，应检查其精确的几何参数和侧壁轮廓，以预测超全息图的效率。在光学实验中，为了生成并获得高质量的全息图像，需准确调节入射激光束的形状和聚焦。因此，光学元件之间应良好对准，并根据透镜焦距、偏振器和波片角度等元件参数进.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
丙酮	J.T. Baker	925402
分束器	Thorlabs	CCM1-BS013/M
铬刻蚀液	KMG	Cr-7
铬蒸发源	Kurt J. Lesker	EVMCR35D
夹具	Thorlabs	CP175
导电聚合物	Showa denko	E-spacer
二极管激光器	Thorlabs	CPS635
电子束蒸发系统	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
电子束光刻胶	Microchem	495 PMMA A2
电子束光刻系统	Elionix	ELS-7800
半波片	Thorlabs	AHWP05M-600
电感耦合等离子体反应离子刻蚀	DMS	-
光阑	Thorlabs	SM1D12
异丙醇	J.T. Baker	909502
运动学镜架	Thorlabs	KM100/M
透镜	Thorlabs	LB1630
透镜安装座	Thorlabs	LMR2/M
线性偏振片	Thorlabs	GTH5-A
反射镜	Thorlabs	PF10-03-G01
中性密度滤光片	Thorlabs	NDC-50C-4
等离子体增强化学气相沉积	BMR Technology	HiDep-SC
支撑杆	Thorlabs	TR75/M
支撑杆支架	Thorlabs	PH75E/M
四分之一波片	Thorlabs	AQWP10M-580
光刻胶显影液	Microchem	MIBK:IPA=1:3
旋转安装座	Thorlabs	RSP1/M
扫描电子显微镜	Hitachi	Regulus8100
XY平移安装座	Thorlabs	XYF1/M
1英寸适配器	Thorlabs	AD11F
1英寸透镜安装座	Thorlabs	CP02/M