Name: 各向异性泄漏模式调制器用于Holovideo的表征 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 36 s
Description: 了解各向异性泄漏模式调制器的表征方法，用于全息视频中的电全息技术。该方法通过映射频率响应与角输出来表征空间光调制器，为优化电全息器件性能提供关键数据。

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作者衷心感谢来自美国空军研究实验室合同 FA8650-14-C-6571 以及 DAQRI LLC 提供的经费支持。

1. 初始准备
注意：请从一块新的X切型铌酸锂晶圆开始。该晶圆应为光学级，厚度为1 mm，表面洁净，无任何沉积物，双面抛光，且正面有标记。
<ol>
	<li>使用电子束蒸发仪或同等设备，在50 µTorr的真空度下以5 Å/sec的速率在晶圆上蒸镀200 nm厚的铝膜。为复现本文所述结果，请将晶圆阵列置于铝坩埚上方65 cm处。</li>
	<li>在晶圆上滴加30滴正性光刻胶（如AZ3330），以3,000 rpm转速旋涂60秒。随后在90 °C下软烘60秒。注：有关旋涂聚合物薄膜机理的详细描述，请参见C. J. Lawrence21的研究。</li>
	<li>使用合适的掩模版，例如附录中提供的&#34;Mask 1. Proton Exchange Mask.dxf&#34;文件，采用带有350 W汞灯或同等光源的掩模对准仪，按照设备规格曝光10秒。确保晶圆对准，使波导方向与y轴平行。</li>
	<li>将光刻胶在正性光刻胶显影液中显影60秒。随后在110 °C下坚膜烘烤60秒。将样品浸入加热至50 °C的1 L铝刻蚀液中2分钟，彻底去除暴露的铝层。 
	警告：铝刻蚀液具有毒性、腐蚀性且有害。请查阅材料安全数据表（MSDS）以了解该化学品的正确操作与储存方法。处理该化学品时需佩戴适当的酸性物质防护个人装备。</li>
	<li>用丙酮冲洗，随后用异丙醇（IPA）清洗，以去除光刻胶掩模。</li>
	<li>使用厚度为0.016英寸、切割深度为0.165英寸的金刚石刀片，在自动划片机上将晶圆切割成10 × 15 mm2的器件，长边方向与y轴平行。 
	注：刀片不会完全切透衬底。分离各个器件时，只需对每条划片施加应力即可。每个10 × 15 mm2的器件将单独进行后续实验步骤。</li>
</ol>
2. 质子交换
<ol>
	<li>将单个器件放入试管中，试管底部打有小孔，以允许器件与所有液体浴液接触。</li>
	<li>将器件浸入1升纯度为99%的苯甲酸熔体中，在240 °C下进行质子交换。浸入时间为10分钟10秒，以达到目标深度0.4504 µm。 
	注意：质子交换的浸入时间由扩散系数D决定，作者所用熔体的扩散系数目前为D = 0.2993。质子交换时间通过公式 T = d2 / (4D) 计算得出。该公式中，T为交换时间（单位：小时），d为波导深度（单位：微米），D为扩散系数。有关质子交换机理的详细描述，请参见J. L. Jackel15的研究。</li>
	<li>取出器件，静置冷却5分钟，或直至触感冷却。先用丙酮冲洗，再用异丙醇（IPA）冲洗，以清除残留的苯甲酸。</li>
</ol>
3. 退火
<ol>
	<li>将装置放入普通试管中，并用铝箔包裹试管。将试管置于马弗炉中，在 375 °C 下加热 45 分钟。取出装置，冷却 5 分钟或直至触摸时不再发热。</li>
</ol>
4. 清洁
<ol>
	<li>使用铝刻蚀液在 50 °C 下对设备上的铝掩模进行约 2 分钟的清洗。随后使用酸性 piranha 刻蚀液清洗设备，以去除任何有机残留物。 
	注意：酸性 piranha 刻蚀液具有毒性、腐蚀性且有害。请参阅化学品安全技术说明书（MSDS）以了解这些化学品的正确操作与储存方法。操作这些化学品时，应穿戴适当的酸类防护个人防护装备。</li>
	<li>用丙酮冲洗设备，然后用异丙醇（IPA）冲洗，并用压缩氮气吹干。</li>
</ol>
5. 波导测量
<ol>
	<li>使用任意商用波导分析仪测量质子交换波导的特性。 
	注意：理想器件在使用633 nm激光时应具有2个导模。期望结果的示例如图2所示。如果器件在红光照射下显示多于两个导模，则应缩短步骤2.2中的交换时间；反之，如果器件显示少于两个导模，则应延长交换时间。</li>
</ol>
6. 添加抗蚀剂
<ol>
	<li>滴加4滴Lift Off胶（LOR），以3,000 rpm转速旋涂60秒，随后在200 °C下烘烤1小时。取出后静置，使器件冷却5分钟或至触感不烫。再滴加4滴聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与苯甲醚按3:1配制的溶液，以3,000 rpm转速旋涂60秒，随后在150 °C下烘烤15分钟。</li>
	<li>取出后静置，使器件冷却5分钟或至触感不烫。滴加2滴导电聚合物，先以1,000 rpm转速旋涂60秒，再以6,000 rpm转速旋涂4秒，以去除多余液体。</li>
</ol>
7. 图案
<ol>
	<li>使用带有电子束消隐器的电子显微镜或等效设备对器件进行曝光。
	<ol>
		<li>在 50 µTorr 的真空条件下，用扫描叉指换能器图案的电子束照射导电层，面剂量为 30 µC/cm2。为重复实验结果，请使用 410 pA 的实测束流。</li>
		<li>根据设备规格，通过电子显微镜从 .dxf 或等效文件中写入图案。 
		注意：有关电子束光刻工艺的详细描述，请参见 R. E. Fontana22 的研究工作。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 显影
<ol>
	<li>用去离子水持续冲洗器件 5 秒，以去除导电层。将器件浸入甲基异丁基酮（MIBK）与异丙醇（IPA）按 1:3 配制的溶液中 45 秒，以去除暴露的 PMMA。
	<ol>
		<li>从 MIBK:IPA 1:3 溶液中取出，用 IPA 冲洗 5 秒。用压缩氮气吹干器件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据需要重复步骤 8.1–8.1.1，以充分显影 PMMA。 
	注意：但每次仅将器件暴露于 MIBK:IPA 溶液中 5 秒，逐步进行。完全显影后，PMMA 下方的 LOR 层应完全暴露，可通过显影区域呈现均匀的颜色、边缘和角落清晰锐利来判断。 
	注意：PMMA 显影过度会导致微小结构崩解，甚至完全清除叉指换能器的指状结构，仅留下一个大的显影区域；而显影不足则会残留不均匀的残渣，影响后续剥离工艺的效果。</li>
	<li>将器件浸入适当显影液与去离子水按 1:1 配制的溶液中 25 秒，以去除暴露区域的 LOR。随后将器件从该 1:1 溶液中取出，用 IPA 冲洗 5 秒。
	<ol>
		<li>用压缩氮气吹干。根据需要重复步骤 8.3，以充分显影 LOR。 
		注意：但每次仅将器件暴露于适当显影液与去离子水的混合溶液中 2 秒，逐步进行。完全显影后，LOR 下方的基底表面应完全暴露，可通过显影区域呈现均匀的白色、边缘和角落保持清晰锐利来判断。LOR 显影不充分也会导致步骤 8.2.3.1 中所述的问题。参见 图 3 以了解 LOR 显影过程的示例。 
		注意：当器件接近完全显影时，改用较低比例的显影液与去离子水（如 1:2 或 1:3）有助于精细结构的显影，避免器件结构崩解。然而，初始阶段不宜使用此类低浓度溶液，因为总处理时间会延长并超过显影液中的最佳时间。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
9. 沉积铝
<ol>
	<li>在50 µTorr的真空条件下，使用电子束蒸发仪或等效设备，以5 Å/sec的速率在晶圆上蒸镀200 nm的铝层。</li>
</ol>
10. Liftoff 铝
<ol>
	<li>将一个大玻璃皿放在 90 °C 的加热板上，加入 750 ml 水。将塑料缓冲垫插入水浴中。另取一个小玻璃容器，将器件浸入 100 ml 的 N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中。</li>
	<li>将装有器件的 NMP 溶液容器置于塑料缓冲垫上，确保水位不超过 NMP 溶液容器的高度。盖上盖子，静置 3 至 4 小时，或直至铝层完全剥离。之后将器件从 NMP 溶液中取出。 
	注意：在将器件从 NMP 溶液中取出前，先清除器件上较大面积的铝层是有利的。可通过使用装有 NMP 的移液枪向器件表面喷射，以冲掉残留的大块不需要的铝。</li>
	<li>用异丙醇（IPA）冲洗器件，并用压缩氮气吹干。在显微镜下检查，确认剥离完全。若仍有不需要的残留铝存在，先用丙酮润湿器件，再用蘸有丙酮的洁净室棉签轻轻擦拭以去除残留物。</li>
	<li>再次用异丙醇冲洗，用压缩氮气吹干，并在显微镜下重新检查。根据需要重复步骤 10.3 和 10.4。</li>
</ol>
11. 抛光末端
<ol>
	<li>使用保护膜（如正性光刻胶层）包裹器件。将器件夹紧，使带有换能器的一端暴露出来以进行抛光。按照标准抛光流程23，缓慢抛光器件端面，使其表面粗糙度低于100 nm，确保无表面缺陷干扰光从器件中出射。</li>
	<li>将器件从夹具上取下，并清除保护膜。若使用光刻胶作为保护膜，可用丙酮充分冲洗，再用异丙醇（IPA）清洗以去除残留。根据需要使用压缩氮气将样品吹干。</li>
</ol>
12. 安装到扩展板上
<ol>
	<li>若射频分路板需要组装，请根据其规格说明完成分路板的组装。</li>
	<li>使用载玻片构建一个用于稳固固定射频分路板和器件的安装平台。注：该安装平台由三片载玻片以U形结构组成，包括一片75 × 50 × 1 mm3的载玻片和两片75 × 25 × 1 mm3的载玻片。
	<ol>
		<li>在大载玻片最左侧四分之一区域涂上足量的氰基丙烯酸酯胶水。将其中一片小载玻片覆盖在胶水珠上，使其左边缘和底边缘与大载玻片的对应边缘对齐。</li>
		<li>对两片载玻片施加均匀且稳固的压力，直至胶水固化，约15秒。对大载玻片最右侧四分之一区域重复此操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用双面胶带将器件固定在安装平台顶部。确保器件的一端伸出安装平台末端，以避免安装平台干扰从器件末端出射的光。</li>
	<li>将射频分路板安装在安装平台上，确保其不处于器件出射光束的路径中。一种简便方法是使用较厚的胶带将分路板抬高，使其底部高于器件顶部。</li>
	<li>将器件上的焊盘通过引线键合连接至射频分路板上对应的焊点位置。使用27 nH的串联电感器对每个换能器与分路板输入端进行阻抗匹配。</li>
</ol>
13. 棱镜耦合
<ol>
	<li>选择一个金红石棱镜，用于将光耦合进器件。光源的偏振方向（横向电场）应与金红石的光轴（Z轴）平行，且与X切型铌酸锂的光轴平行。</li>
	<li>使用异丙醇（IPA）彻底清洁器件和棱镜的接触表面。将棱镜定位，使其居中对准待测波导通道。</li>
	<li>使用夹紧装置将棱镜底部牢固地压在器件顶部。注意：切勿过度拧紧，过大的压力会导致基底破裂并损坏耦合棱镜。</li>
	<li>若操作成功，可观察到一个湿润区域。 
	注意：湿润区域是指棱镜与样品界面处发生受抑全内反射的区域。有关棱镜耦合正确示例，请参见图4。</li>
</ol>
14. 在表征装置中安装样品
<ol>
	<li>将设备安装在由 A. Henrie 讨论的各向异性漏模光调制器频率分光表征装置的旋转平台上4. 
	注：特征分析装置的示意图已提供于 图5.</li>
</ol>
15. 在表征装置中进行对准
<ol>
	<li>打开激光器。为复现本文所述实验结果，请分别使用 5 V（638 nm）、5.5 V（532 nm）和 6.5 V（445 nm）。</li>
	<li>衰减光束，直至散射光的强度对眼睛而言舒适为止。验证激光的偏振状态。
	<ol>
		<li>在半波片后的光路中放置一个偏振片，使其阻挡水平偏振光。旋转半波片，以实现激光光强的最大衰减。随后移除偏振片。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>手动旋转平台，使激光与器件上表面之间的夹角调整至合适的入射角。 
	注意：合适的入射角可根据所需的测试波长和模式在表1中查得。</li>
	<li>当激光焦点穿过棱镜的90°角时，使用线性平移台对棱镜进行对准。注意：有时可观察到棱镜角引起的激光散射增强现象。
	<ol>
		<li>此时应有光耦合进入器件，可通过波导中散射产生的特征性光条纹，或器件末端出射的特征性模式条纹来验证24（见图6）。 
		注意：若使用模式条纹验证耦合，建议将功率计从光路中移除，改而在光路中插入均匀散射物体（如一张白纸）。</li>
		<li>若未检测到任何耦合现象，应在保持棱镜耦合边位于激光焦点处的前提下，缓慢旋转器件。若在任一方向旋转五度后仍无法检测到耦合，请将器件从旋转平台上取下，移除棱镜，并返回步骤13。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>一旦检测到耦合现象，微调旋转平台和线性平移台，以最大化光耦合效率。</li>
</ol>
16. 连接射频输入并封装设备
<ol>
	<li>更换在准直过程中移除的功率计。同时移除用于准直目的而放置在光路中的任何遮挡物。</li>
	<li>将射频输入端连接至器件转接板，并打开射频信号发生器。确保放大器已通电。注意：为防止器件烧毁，到达器件的信号电功率不得超过 1 W。</li>
	<li>移除准直期间为安全起见所使用的任何衰减器。此时激光器已处于测试所用的光功率水平。将整个系统置于光学隔离箱中。</li>
</ol>
17. 运行提供的测试程序
<ol>
	<li>安排实验室设备管理员运行表征设备，例如附录中提供的 LabView 文件 AutomatedDeviceCharacterization.vi。</li>
	<li>将所有用户参数输入控制计算机上的测试软件。注意：图7 为使用所提供实验控制文件的用户而提供，图中用黄色框标出每次运行自动测试前必须更新的字段，以确保第19步中的分析程序能够正常运行。
	<ol>
		<li>若要复现本文所述结果，请使用以下测试参数：初始频率：100 MHz，终止频率：800 MHz，频率步长：10，粗略初始位置：0，粗略终止位置：25，位置步长：1。确保已按下&#34;输出到文件&#34;按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>运行测试程序。 
	注意：所提供的程序会驱动功率计沿直线轨道以用户定义的间隔移动。在每个位置，射频输入信号将在一组选定的频率范围内进行扫描，并记录功率测量值。同时还会在射频输入设置为最低频率和最低输出功率（经实验确定等效于无输入信号）时进行一次测量4。这些测量数据随后将以实时方式在三维交互式图表中显示。
	<ol>
		<li>观察四个输出文件：*config.csv 描述实验设置，*data.csv 包含每个频率下的功率读数，*no_stim.csv 包含背景噪声读数，*graph.jpeg 包含程序结束时用户界面中图表的图像副本。参见图8。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对表1中所述的每种波长和TE1模式，重复步骤15–17。</li>
</ol>
18. 分析频率与角度输出特性
<ol>
	<li>获取一个统计分析程序，或下载附录中提供的 CompareWDMmodes.m MATLAB 代码。</li>
	<li>在程序所在文件夹中创建一个名为 &#34;Sample Number&#34; 的子文件夹，并将 &#34;Sample Number&#34; 输入到测试程序中。样本编号即为器件的识别编号。</li>
	<li>在该文件夹 &#34;Sample Number&#34; 中创建三个子文件夹，每个文件夹按以下格式命名：&#34;Sample Number&#34;_&#34;Color&#34;_M1_&#34;Transducer&#34;。其中以 &#34;粗体斜体&#34; 标注的名称为用户在测试程序中输入的值（例如：A16_BLUE_M1_T1、C5_RED_M1_T13 或 D35_GREEN_M1_T18）。</li>
	<li>将测试软件生成的四个对应于特定波长、模式和换能器的文件复制到每个子文件夹中。</li>
	<li>打开分析程序，并修改程序顶部的用户自定义变量，使其与测试软件中输入的用户自定义值一致。 
	注：如果使用所提供的分析程序，且测试程序中的用户自定义值为 &#34;Sample Number&#34;=A16、&#34;Guided Mode&#34;=1、&#34;Transducer&#34;=1，则分析代码应修改如下： 
	     % 用户自定义变量 
	     series='A'; 
	     sample=16; 
	     modes=[1]; 
	     transducer='T1';</li>
	<li>运行分析程序。 
	注：如果使用所提供的分析代码，程序将生成多种输出结果，其中包括对红光、绿光和蓝光的归一化频率响应及角度输出的对比图。生成的文件位于 &#34;Sample Number&#34; 子文件夹中。输出结果示例见 图9。</li>
</ol>

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<li>Fontana, R., Katine, J., Rooks, M., Viswanathan, R., Lille, J., MacDonald, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((E-beam+writing%3A+a+next-generation+lithography+approach+for+thin-film+head+critical+features%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Magn%22%5BJournal%5D)">E-beam writing: a next-generation lithography approach for thin-film head critical features.</a> IEEE Trans. Magn. 38 (1), 95-100 (2002).</li>
<li>Robertson, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRobertson%2C+M+%22Substrate+Surface+Preparation+Handbook%22">Substrate Surface Preparation Handbook</a>. , (2011).</li>
<li>Monneret, S., Flory, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((M-lines+technique%3A+prism+coupling+measurement+and+discussion+of+accuracy+for+homogeneous+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22J+Opt+A-Pure+Appl+Op%22%5BJournal%5D)">M-lines technique: prism coupling measurement and discussion of accuracy for homogeneous waveguides.</a> J Opt A-Pure Appl Op. 2 (3), 188(2000).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

每种器件的设计包含两个关键步骤：质子交换和LOR的形成。在这两个步骤中，质子交换时间决定了波导的深度，而波导深度又决定了导模到泄漏模转换的次数、可调控的频率带宽，以及每种颜色光对应的所有关键设计参数。对于红光，期望存在两个导模。如果导模数量过多，则会牺牲带宽；如果过少，则无法保证发生导模到泄漏模的转换。请遵循步骤2.2.1中的说明，调整质子交换时间以达到理想结果。
正确的LOR显影对于叉指换能器的正常抬离及其功能至关重要。该步骤最好通过实践经验来掌握。使用未稀释的显影液会在7秒内导致换能器指状电极被冲蚀，而使用50%浓度的显影液则约需35秒。具体显影时间因器件而异，因此建议先在50%浓度的显影液中显影25秒，随后多次短暂暴露于更稀释的溶液中进行进一步处理。若出现冲蚀现象，应减少显影时间或降低溶液浓度，以获得理想结果。
在表征过程中，棱镜耦合与对准是关键步骤。如果器件的棱镜耦合效果不佳或对准不准确，将没有光进入波导，从而无法测量结果。最佳对准效果可通过微小调整实现。散射光的变化可指示接近模式线的情况，或显示叉指换能器的临近位置。...

大多数全息显示技术，例如像素化光阀、MEMS 器件以及体波声光调制器，结构过于复杂，难以广泛参与其研发过程。像素化调制器，特别是带有滤光层和有源背板的器件，可能需要数十道图形化步骤才能制备5，且可能受限于扇出能力6。图形化步骤越多，器件复杂度越高， fabrication 工艺必须更加严格，才能获得合理的器件产率7。体波声光调制器则难以适用于晶圆级工艺8,9。然而，各向异性泄漏模调制器仅需两步图形化工艺即可制备，并采用相对标准的微加工技术10,11。这些工艺的可及性使得任何具备基本 fabrication 设施的机构都有可能参与全息视频显示技术的开发12。
尽管器件制备过程看似简单，但器件的正常功能在很大程度上依赖于波导，而波导必须经过精确测量和调整，才能实现所需的器件特性。例如，如果波导过深，器件的工作带宽将变窄13。如果波导过浅，器件可能无法在红光照明下工作。如果波导退火时间过长，其深度轮廓的形状将发生畸变，导致红、绿、蓝三色在频率域中的过渡区域无法相邻排列14。在本研究中，作者介绍了用于完成此类表征的工具与技术。
漏模调制器由质子交换波导构成，该波导扩散于压电性x切型铌酸锂基底表面15,16。在波导的一端设有铝制叉指换能器，见图1。通过棱镜耦合器将光引入波导17。随后，换能器激发表面声波，沿y轴方向与波导中的光发生共线相互作用。该相互作用将导波光耦合至漏模，使光从波导泄漏进入基底体材料，并最终从基底的端面射出18,19。此相互作用同时使光的偏振态发生旋转，即将TE偏振的导波光转换为TM偏振的漏模光。表面声波的分布图案即为全息图，能够对输出光进行扫描和整形，从而形成全息图像。
波导通过质子交换形成。首先，在基底上沉积铝。然后通过光刻法对铝进行图形化并刻蚀，以暴露基底上将形成波导通道的区域。剩余的铝作为硬掩模。将基底浸入苯甲酸熔融液中，使暴露区域的表面折射率发生改变。随后将器件取出，清洗并在马弗炉中退火。波导的最终深度决定了泄漏模式转换的次数。波导深度还决定了每种颜色的导模到辐射模转换的频率4。
通过剥离工艺形成铝制换能器。在波导形成后，将电子束抗蚀剂旋涂到衬底上。使用电子束对叉指换能器进行图形化，以制备一种啁啾换能器，该换能器设计用于响应200 MHz频段，从而控制波导器件的颜色。指状电极周期由公式 Λƒ = v 确定，其中，Λ 为指状电极周期，v 为声波在衬底中的传播速度，ƒ 为射频（RF）。该换能器具有一定的阻抗，为实现高效工作，必须将其阻抗匹配至75欧姆20。
导模与泄漏模的相互作用在不同波长的照明光下发生在不同的频率，因此可以在频率域中分别控制红光、绿光和蓝光。表面声波图案由射频信号驱动叉指换能器产生。输入信号的射频对应于表面声波图案上的空间频率。波导可以设计成使得低频信号控制红光的角度扫描和振幅，中频信号控制绿光，高频信号控制蓝光。作者已确定了一组波导参数，使得这三种相互作用在频率域中彼此分离且相邻，从而仅通过一个200 MHz的单一信号即可实现对三种颜色的同时控制，该带宽为商用图形处理器（GPU）的最大带宽。
通过将GPU通道的带宽与泄漏模式调制器的带宽相匹配，该系统可实现完全并行化，并具有高度可扩展性。通过增加带宽匹配的GPU与泄漏模式调制器通道对，可以构建任意尺寸的全息显示器。
器件制备完成后，需对其进行精细表征，以验证导模到辐射模转换的频率是否适用于颜色的频率控制。首先，使用商用棱镜耦合器确定导模的位置，以确认波导具有适当的深度和正确数量的导模。随后，在器件安装并封装后，将其置于定制的棱镜耦合器中，以测绘扫描输出光的输入频率。所得数据提供了待测器件对红、绿、蓝三色光的频率输入响应和角度输出响应。若器件 fabrication 正确，则其输入响应在频率上应相互分离，而输出响应在角度上应相互重叠。当此条件得到验证后，该器件即可用于全息视频显示。
首次测量在器件封装前进行。波导深度由商用棱镜耦合器测定。该测量仅需一种照明波长（通常为632 nm红光）即可完成，但作者已对其商用棱镜耦合器进行了改进，使其能够获取红、绿、蓝三色光的模式信息。封装完成后，器件在定制棱镜耦合器中进行第二次测量，记录输出光偏转角度随输入射频信号的变化情况。以下将详细介绍这些测量方法，并给出器件的制备步骤。

<table><tbody><tr><td>X切型铌酸锂</td><td>Gooch and Housego</td><td>99-00630-01</td><td>直径3&amp;Prime;的X切型铌酸锂晶圆，抛光/抛光，厚度1&amp;nbsp;mm</td></tr><tr><td>正性光刻胶1</td><td>EMD Performance Materials</td><td>AZ 3330 F Photoresist</td><td>用于制备质子交换掩模</td></tr><tr><td>光刻胶显影液</td><td>EMD Performance Materials</td><td>AZ MIF 300</td><td>用于显影AZ3330和LOR 3A</td></tr><tr><td>铝</td><td>International Advanced Materials</td><td>AL13</td><td>纯度99.999%</td></tr><tr><td>铝刻蚀液</td><td>Transene</td><td>Type A Aluminum Etchant</td><td></td></tr><tr><td>苯甲酸</td><td>Sigma Aldrich</td><td>109479-500G</td><td>纯度99%</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Fisher Chemical</td><td>UN1009</td><td></td></tr><tr><td>异丙醇（IPA）</td><td>Fisher Chemical</td><td>UN1219</td><td>纯度99.5%的异丙醇</td></tr><tr><td>酸性piranha刻蚀液</td><td>Cyantek Corperation</td><td>Nanostrip</td><td></td></tr><tr><td>底层剥离胶</td><td>Micro Chem</td><td>LOR 3A</td><td>用于剥离工艺的底层胶</td></tr><tr><td>正性光刻胶</td><td>Micro Chem</td><td>950 PMMA A9</td><td>用于剥离工艺的顶层胶</td></tr><tr><td>苯甲醚</td><td>Micro Chem</td><td>A Thinner</td><td></td></tr><tr><td>导电聚合物水溶液</td><td>Mitsubishi Rayon Company</td><td>AquaSAVE</td><td></td></tr><tr><td>MIBK（4-甲基-2-戊酮）</td><td>Sigma Aldrich</td><td>360511</td><td>用于显影PMMA</td></tr><tr><td>NMP（1-甲基-2-吡咯烷酮）</td><td>Sigma Aldrich</td><td>328634</td><td>用于剥离工艺</td></tr><tr><td>电子束蒸发仪&amp;nbsp;</td><td>Denton Vacuum&amp;nbsp;</td><td>Integrity 20</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>薄膜匀胶机</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td>WS-400A-6NPP-LITE</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>掩模对准仪&amp;nbsp;</td><td>Karl Suss America Inc.</td><td>MA 150 CC</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>自动划片机&amp;nbsp;</td><td>Disco Corperation</td><td>Disco Dad 320</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>马弗炉</td><td>Thermo Scientific</td><td>FB1415M</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>电子显微镜</td><td>FEI</td><td>XL30 ESEM</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>脱水烘箱</td><td>Lab-Line Instruments&amp;nbsp;</td><td>Ultra-Clean 100&amp;nbsp; (3497M-3)</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>加热板</td><td>Thermo Scientific</td><td>SP131325</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>抛光机</td><td>Ultra Tec Mfg., Inc.</td><td>Ultrapol End &amp;amp; Edge Polisher</td><td>任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>IIIb类12&amp;nbsp;V红绿蓝激光器：波长（nm）：638、532和445</td><td></td><td></td><td>二手购得，可能取自激光投影仪。任何功能相当的设备均可替代。</td></tr><tr><td>信号发生器</td><td>Agilent</td><td>8648D</td><td>现由Keysight提供，已停产。任何功能相当的设备均可替代。需具备9 kHz–1,000 MHz频率扫描功能。</td></tr><tr><td>信号放大器</td><td>Mini-Circuits</td><td>TB-17</td><td>仅用于克服信号发生器的输出限制。</td></tr><tr><td>功率计控制器</td><td>ThorLabs</td><td>PM100D</td><td>配合S130C型号功率计使用。任何功能相当的设备均可替代。需具备500&amp;nbsp;pW的灵敏度。</td></tr><tr><td>线性执行器控制器</td><td>Newport</td><td>ESP7000</td><td>配合MFN25PP型号线性执行器使用。任何功能相当的设备均可替代。需具备0.1&amp;nbsp;mm的定位精度。</td></tr><tr><td>AutomatedDeviceCharacterization.vi&amp;nbsp;</td><td>LabView</td><td>由杨百翰大学（BYU）开发的实验控制软件</td><td>见附录</td></tr><tr><td>CompareWDMmodes.m</td><td>MATLab</td><td>由杨百翰大学（BYU）开发的分析软件</td><td>见附录</td></tr></tbody></table>

各向异性泄漏模调制器在全息视频中的表征

Characterization of Anisotropic Leaky Mode Modulators for Holovideo

全息视频显示基于能够弯曲光线的空间光调制器。一种此类空间光调制器是各向异性泄漏模式调制器。这种调制器特别适用于全息视频实验，因其制造相对简单且成本较低1-3。泄漏模式器件的一些其他优势包括：较大的总带宽、信号光与噪声之间的偏振分离、较大的角度偏转以及对颜色的频率控制1。为了实现这些优势，必须能够充分表征这些器件，因为其工作性能强烈依赖于波导和换能器参数4。为了表征这些调制器，作者使用商用棱镜耦合器以及自行设计的表征装置，以识别导波模式、计算波导厚度，并最终绘制泄漏模式调制器的频率输入与角度输出关系图。本研究详细描述了适用于全彩全息视频的泄漏模式调制器的测量与表征方法。

上述方案的主要结果包括：商用棱镜耦合器测得的导模数据（如图2所示）、定制棱镜耦合器采集的单频原始输入/输出数据（如图8所示），以及如图9所示的多色曲线。在下文段落中，我们将讨论这些输出结果所提供的可操作信息。
商用棱镜耦合器获取的导模信息主要用于确定波导深度，但导模的数量及其间距还包含与泄漏模工作相关的其他有用信息。为了使泄漏模器件按设计工作，必须确保每种颜色都存在从导模到泄漏模的转换，实验表明，当每个照明波长下至少存在两个导模时，这一条件即可满足。这一点对红光尤其重要，因为在三种显示颜色中，红光的导模数量最少。应增加或减少第二步中的质子交换时间，以确保存在两个红光导模。通常情况下，红光中存在两个导模意味着绿光和蓝光中也至少各有两个导模。针对颜色频分复用优化的器件表现出在红光中有两个导模、绿光中有三个导模、蓝光中有四个导模。如果退火时间过长，绿光和蓝光...

本研究描述了用于全息视频的各向异性泄漏模式调制器的制备与表征。

全息视频显示器基于能够弯曲光线的空间光调制器。一种此类空间光调制器为各向异性泄漏模式调制器。该……

本实验的总体目标是通过映射空间光调制器的频率响应与角度输出的关系，以可重复的方式对其特性进行表征。该方法有助于提供电全息领域关键科学问题所需的重要数据，例如识别导模泄漏模式的转变过程以及优化需求。该技术的主要优势在于能够清晰区分泄漏模式的转变，并使我们能够快速获得关于其线性度、相对强度、角度展宽以及工作频率的可重复信息。该过程的可视化演示至关重要，因为对准和棱镜耦合均依赖于难以用语言描述的视觉提示。为了表征该器件，首先准备将其安装到射频引线板上。准备好一个器件、一块射频引线板以及三块玻璃片，以构建安装平台。其中一块载玻片比另外两块更大，将作为U形平台的底座。请先从最大的载玻片开始操作。在载玻片最长边的最左侧四分之一处滴加足量的超级胶水。接着，将另一片较小的载玻片以其最长边与第一片载玻片的最长边垂直的方向放置。对齐两片载玻片的左侧边缘，使它们的左下角相互重叠。将它们接触并施加牢固且均匀的压力，直至胶水固化。对右侧重复类似的步骤。这将形成一个U形结构。安装设备时，将双面胶带贴在U形中心平台位置。现在，使用待表征的泄漏模式调制器。检查设备两端是否已抛光并处于可用状态。然后，将设备放置在平台上已贴好的胶带上方。将其安装，使设备末端悬伸出安装平台末端，以避免干扰光路。此时，安装射频转接板。安装转接板时，应确保其不在器件出射光束的光路中。下一步是引线键合。这是器件与 breakout 板完成引线键合后的状态。现在，选择一个合适的棱镜以将光耦合进入器件，并使用异丙醇清洁将与器件接触的表面。此外，清洁设备的接触表面。然后将棱镜放置在设备上，使其位于待测设备通道的中心位置。接着使用夹紧装置将棱镜底部牢固地压在设备顶部，以实现元件的耦合。夹紧装置应将棱镜底部牢固地压在设备顶部，成功耦合后会在界面处形成一个湿润斑点。从合适的角度观察，该湿润斑点会反射出彩虹般的颜色。下一步是使用表征装置。该装置一端配有三种激光光源，分别为红色、绿色和蓝色。激光发出的光首先通过一个可变衰减器，然后经过一个半波片，接着通过一个可变光阑，最后通过一个聚焦透镜。聚焦后的光照射在样品上的棱镜上，样品将安装在此旋转台上。该示意图概述了光学元件、旋转平台和电子部件。当光进入装置后，输入射频信号会生成表面声波。这些声波使光以频率可控的角度出射，并照射到功率计上。设置仪器以在一系列频率和位置上采集数据。将带有棱镜和支架的装置安装在旋转平台上。调整组件位置，使聚焦透镜发出的光首先入射到棱镜上。为对准设备，首先打开激光器，并调节衰减器，直至散射光的强度对眼睛而言感觉舒适。接着，将一个偏振器放置在半波片之后的光路中。调整其方向，使其阻断水平偏振光。旋转半波片以实现激光的最大衰减。达到最大衰减后，移除偏振片。然后返回旋转平台，手动旋转该平台。调节激光入射角度，使其相对于器件上表面处于合适的角度。利用旋转台上方的线性平移台对棱镜进行对准。调整对准位置，直至激光的焦点穿过棱镜的90度角顶点。此时，微调旋转台以实现耦合。监测器件，当波导开始耦合时，由于散射，波导中会出现特征性的光条纹。验证耦合的另一种方法是使从器件出射的光照射到背平面上。在背平面上，确认光的特征模式线是否存在，这些是不同的横向电场模式。一旦检测到耦合，微调旋转和移动平台以增强渐逝波耦合。接着，准备好将接线板连接至放大器和信号发生器的电缆，并将其连接到接线板的信号输入端。接着打开射频信号发生器和放大器。此处可对装置进行初步测试，将频率从 400 兆赫兹扫描至 600 兆赫兹，并检查是否有偏转的光。继续操作前，请清除光路，并确保已放置功率计。然后返回光路中的衰减器，解除为对准过程安全起见而设置的所有衰减。最后，使用光学隔离箱在实验期间覆盖整个表征装置。利用仪器控制软件运行表征装置。本实验采用LabVIEW运行自定义测试程序。输入测试参数后，运行程序。脚本运行时间应少于五分钟。测试过程中将生成一个可操作的图表。绘图和数据都将被保存。此数据是在设备封装前采集的，用于商用薄膜分析仪。纵轴为激光强度。横轴表示器件的旋转角度。两个凹陷对应于导波模式允许光进入波导并从器件末端射出的角度，从而避免光反射回功率计。该光学功率数据是在封装后由表征装置采集的。该图是通过扫描射频输入频率（单位：兆赫兹）和功率计位置（单位：毫米）得到的结果。数据在 Y 轴上的投影给出了器件的频率响应，X 轴上的投影给出了衍射光输出的范围。XY 平面中数据的斜率反映了扫描的线性度。该图结合了三种波长下 TE 1 导模的多个实验的原始数据。如果每种颜色的响应在频率上相邻且在角度上重叠，则该器件适用于颜色的频率控制。一旦掌握，单通道在红、绿、蓝光下的完整表征仅需 30 分钟。当然，高分辨率图像需要更长时间。该技术发展完成后，为电全息领域研究人员探索波导型空间光调制器中的频率分复用铺平了道路。观看本视频后，您应能够充分理解如何以可重复的方式对空间调制器进行表征，包括正确的棱镜耦合、对准和测试流程。

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科研

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工程

各向异性泄漏模式调制器用于Holovideo的表征

开发了一种用于电场检测的高灵敏度光子微传感器。该传感器利用介质球的光学模式。外部电场的变化会扰动球体形貌，从而导致其光学模式发生偏移。通过监测这些光学偏移即可测量电场强度。...

基于回音壁模式的聚合物微光学电场传感器的研制

我们提出了一种用于检测和表征微机电系统（MEMS）器件的紧凑型反射式数字全息系统（CDHM）。该系统采用无透镜设计，利用发散输入波实现自然的几何放大。文中展示了静态与动态研究结果。...

用于MEMS检测与表征的紧凑型无透镜数字全息显微镜

本文介绍了一种用于检测并自动实现预调节非线性偏振旋转光纤激光器锁模的方案。该方法利用锁模发生时输出偏振态的突变进行检测，并据此控制腔内偏振控制器的调节，以寻找锁模条件。...

通过输出偏振测量实现非线性偏振旋转光纤激光器的锁模自动化

多层微流控器件通常需要制造具有复杂几何结构的母模以实现其功能。本文介绍了一种完整的多步光刻技术方案，可实现阀门及可调高度特征结构的加工，且可根据不同应用需求进行调节。作为示例，我们制备了一种能够生成水凝胶微球的微流控液滴发生器。...

多步变高光刻法制备带阀多层微流控器件

我们展示了利用单个空间光调制器进行波前整形，通过多模光纤传输多个独立信号的方法。通过分别调制每个信号的波前，可实现空间分离焦点的传输。该技术的潜在应用包括通信工程中的多路复用数据传输以及生物光子学中的内窥镜光传输。...

利用波前整形通过光纤传输多个信号

介绍了一种使用激光多普勒测振仪（LDV）进行固定-固定梁设计的实验方案，包括频率调谐的测量、调谐能力的改进，以及器件失效和粘连现象的避免。由于LDV方法具有更高的模态检测能力，其性能优于网络分析仪。...

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我们展示了如何利用单一相位元件对激光束的复场进行编码。通过使用共路干涉仪，将显示在纯相位空间光调制器上的相位信息进行混合，最终在光学成像系统的输出端重建出所需的复场分布。...

使用纯相位空间光调制器调控激光束的振幅与相位

本文介绍了一种用于制备含氧化还原响应型手性掺杂剂的反射式胆甾相液晶显示器件的方案，该器件可实现快速、低电压操作。...

一种用于快速低电压颜色调控的电化学胆甾相液晶器件

本文介绍了通过在铌酸锂上采用直流溅射法沉积板电极来制备压电厚度模式换能器的方法。此外，通过使用换能器支架和流体供给系统实现了可靠运行，并通过阻抗分析、激光多普勒测振、高速成像以及基于激光散射的液滴尺寸分布对器件性能进行了表征。...

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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。...

可见光波段全介质自旋复用与方向复用超全息图的演示

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高Q值氮化硅薄膜谐振器的制备与表征

了解各向异性泄漏模式调制器的表征方法，用于全息视频中的电全息技术。该方法通过映射频率响应与角输出来表征空间光调制器，为优化电全息器件性能提供关键数据。

各向异性泄漏模调制器在全息视频中的表征

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