需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

可见光波段全介质自旋复用与方向复用超全息图的演示

5.4K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/61334

⸱

2020年9月25日

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

本文内容

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（metahologram）具有诸多优势，例如光学系统的小型化、全息图像的更高分辨率以及更大的可视范围。

最近，已在单层超表面全息器件中实现了多重全息信息的编码。例如，基于自旋12,13、轨道角动量14、入射光角度15和方向16进行复用的超表面全息图。这些研究克服了超表面全息图的关键缺陷，即单个器件中设计自由度不足的问题。大多数传统的超表面全息图只能生成单一编码的全息图像，而复用型器件则能够实时编码多个全息图像。因此，复用型超表面全息图是实现真实全息视频显示或多功能防伪全息图的重要解决方案平台。

本文报道了制备自旋和方向复用的全介质可见光超表面全息图并对其进行光学表征的实验方案13,16。为了在单一超表面器件中编码多种视觉信息，所设计的超表面全息图在入射光的自旋方向或入射方向改变时，可呈现出两种不同的全息图像。为以与CMOS技术相兼容的方式实现高效率的全息成像，采用氢化非晶硅（a-Si:H）作为超表面材料，并利用其内部激发的双重磁谐振及反铁磁谐振效应。制备流程包括薄膜沉积、电子束光刻和刻蚀工艺。所制备的器件通过一套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。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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，以去除导电聚合物层。随后将样品置于冰浴环境中，在体积比为 1:3 的甲基异丁基酮（MIBK）与 IPA 混合溶液中显影 12 分钟。然后用 IPA 冲洗 30 秒。
  8. 使用电子束蒸发仪沉积一层厚度为 30 nm 的铬（Cr）薄膜。
  9. 将样品浸入丙酮中，以去除未曝光的光刻胶层，从而将 Cr 图案转移至基底上。在 40 kHz 条件下超声处理 1 分钟，然后用 IPA 冲洗 30 秒。
  10. 利用干法刻蚀将未被覆盖的 a-Si:H 层刻蚀，从而将 Cr 图案转移至 a-Si:H 层中。刻蚀条件：源功率 500 W，偏压 100 V，Cl2 气体流速 80 sccm，HBr 气体流速 120 sccm。
  11. 将样品浸入 Cr 刻蚀液中，以去除 Cr 刻蚀掩模。随后依次用丙酮、IPA 和去离子水各冲洗 30 秒。

2. 扫描电子显微镜表征

  1. 旋涂一层导电聚合物以防止电子束扫描过程中电荷积聚。将导电聚合物滴加到基底上，以2,000 rpm的转速旋涂1分钟。
  2. 使用碳导电胶带将基底固定在样品台上。按下AIR按钮，对载样锁室进行放气。
  3. 将样品台放置到载样锁室的支撑杆上。按下EVAC按钮，对载样锁室进行抽真空。
  4. 通过将Z传感器设置为8 mm、T传感器设置为0°，调节样品台的高度和倾斜角度。
  5. 按下OPEN按钮打开载样锁室门。推动支撑杆，将样品台转移至主扫描电子显微镜（SEM）腔室。拉出支撑杆后，按下CLOSE按钮关闭腔门。
  6. 在开启电子枪前检查真空状态。按下FLASHING按钮执行闪蒸功能，利用瞬时高电压清除电子枪中的碳污染或灰尘。
  7. 在SEM软件中点击ON按钮，以5 kV的加速电压开启电子枪。
  8. 在软件中点击BEAM ALIGNMENT面板，调节电子束对中，精确定位电子束至中心位置。使用样品台控制器将电子束调整至视野中心。
  9. 在软件中点击APERTURE ALIGNMENT面板，调节光阑对中和消像散对中，使电子束呈圆形。使用消像散控制器调节，获得稳定且聚焦于同一点的扫描电子束。
  10. 通过适当调节焦距和消像散，采集扫描电子显微镜图像。
  11. 在软件中点击OFF按钮关闭电子束。点击HOME按钮，使样品台返回初始位置。
  12. 打开主腔室门，推动支撑杆取出样品台。按下AIR按钮对载样锁室放气，随后卸下样品台。
  13. 用去离子水冲洗样品，以去除导电聚合物层。

3. 自旋复用超表面全息图的光学表征

  1. 准备材料表中列出的光学元件。
  2. 将二极管激光模块安装到可插入1英寸光学支架的适配器上，使用支架杆和支架座调节二极管激光器的高度，并用夹具固定其位置。
    注意：每个光学元件都应使用支架杆和支架座安装，然后用夹具固定位置。
  3. 使用1英寸旋转支架组装半波片，并将其放置在激光模块前方，以旋转线偏振光。
  4. 将两个反射镜分别安装在1英寸运动学支架上，并准备一个准直盘，用于调整初始光束的方向。
    1. 将准直盘放置在激光器前方并调节高度。放置两个反射镜，使光束依次发生两次90°偏转，且方向交替变化。
    2. 将准直盘靠近第二个反射镜，通过旋转旋钮调节第一个反射镜的角度，使光束对准准直盘中心。
    3. 将准直盘移至远离第二个反射镜的位置，通过旋转旋钮调节第二个反射镜的角度，使光束对准准直盘中心。
    4. 重复步骤3.4.2和3.4.3，直至光束在两个位置均能通过准直盘的中心。
  5. 在反射镜后方放置一个中性密度滤光片，以控制光强；在中性密度滤光片后方放置一个光阑，以控制入射光的直径。
  6. 为产生圆偏振光，依次在光阑后方放置线偏振片和四分之一波片。将每个元件分别安装在其独立的旋转支架上。
  7. 将制备好的超表面固定在带孔的平板上，并将该平板安装在用于矩形光学元件的XY平移支架上。调节XY平移支架，使光束对准样品中的图案区域。
  8. 在超表面后方放置一个透镜，调节透镜位置使其位于焦距处。在透镜后方放置一个CCD相机，用于捕获全息图像。

4. 方向复用型超全息图的光学表征

  1. 准备两个分束器、两个反射镜、一个透镜和一个CCD。
    注意：该装置可通过在自旋复用超全息图装置基础上增加额外组件构建而成。
  2. 在四分之一波片与XY平移台之间放置一个分束器，将光束分为两个方向；在XY平移台与透镜之间放置另一个分束器。
    注意：其中一条光路与先前的自旋复用超全息图装置相同；此处另一路分束光将被调整，以与先前装置相反的方向照射样品。
  3. 放置两个反射镜，使光束连续两次以90°弯曲，形成交替方向，并调节光束使其准确进入第二个分束器。精细调节光路，确保光束以相反方向正确照射样品。
  4. 在第一个分束器右侧90°位置放置另一个透镜，并放置CCD以从相反方向捕获全息图像。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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（

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

致谢

本研究由韩国科技信息通信部资助的国家研究基金会（NRF）项目（NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2019R1A5A8080290）提供资金支持。I.K. 感谢韩国教育部资助的 NRF 全球博士奖学金（NRF-2016H1A2A1906519）。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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. Baker925402
分束器ThorlabsCCM1-BS013/M
铬刻蚀液KMGCr-7
铬蒸发源Kurt J. LeskerEVMCR35D
夹具ThorlabsCP175
导电聚合物Showa denkoE-spacer
二极管激光器ThorlabsCPS635
电子束蒸发系统Korea Vacuum TechKVE-E4000
电子束光刻胶Microchem495 PMMA A2
电子束光刻系统ElionixELS-7800
半波片ThorlabsAHWP05M-600
电感耦合等离子体反应离子刻蚀DMS-
光阑ThorlabsSM1D12
异丙醇J.T. Baker909502
运动学镜架ThorlabsKM100/M
透镜ThorlabsLB1630
透镜安装座ThorlabsLMR2/M
线性偏振片ThorlabsGTH5-A
反射镜ThorlabsPF10-03-G01
中性密度滤光片ThorlabsNDC-50C-4
等离子体增强化学气相沉积BMR TechnologyHiDep-SC
支撑杆ThorlabsTR75/M
支撑杆支架ThorlabsPH75E/M
四分之一波片ThorlabsAQWP10M-580
光刻胶显影液MicrochemMIBK:IPA=1:3
旋转安装座ThorlabsRSP1/M
扫描电子显微镜HitachiRegulus8100
XY平移安装座ThorlabsXYF1/M
1英寸适配器ThorlabsAD11F
1英寸透镜安装座ThorlabsCP02/M

参考文献

  1. Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).
  2. Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
  3. Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light. Nanophotonics. 7 (11), 1827-1833 (2018).
  4. Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070(2019).
  5. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
  6. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  7. Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63(2018).
  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
  9. Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).
  10. Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
  11. Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
  12. Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Physical Review Letters. 118 (11), 113901(2017).
  13. Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065(2019).
  14. Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
  15. Kamali, S. M., et al. Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles. Physical Review X. 7 (4), 041056(2017).
  16. Ansari, M. A., et al. Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons. 5 (1), 57-64 (2020).
  17. Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066(2019).
  18. Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876(2018).
  19. Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129(2019).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

可见光波段全介质自旋复用与方向复用超全息图的演示
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。