Name: 电介质元表面的等强度光束生成演示 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: 了解电介质元表面的高效制备方法，使用原子层沉积技术在熔融石英基底上实现快速低成本制造。该技术可制备透镜、全息图等光学器件，为硅光子学研究提供重要见解。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本工作由韩国科学技术信息通信部（MSIT）资助的国家研究基金会基金（NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2018M3D1A1058998、NRF-2015R1A5A1037668）支持。

1. 介电超表面的制备
<ol>
	<li>熔融石英基底的预清洗
	<ol>
		<li>准备一片双面抛光的熔融石英基底（长度：2 cm；宽度：2 cm；厚度：500 μm）。</li>
		<li>将熔融石英基底浸入50 mL丙酮中，在40 kHz条件下进行超声处理5分钟。</li>
		<li>将基底浸入50 mL异丙醇（IPA）中，在40 kHz条件下进行超声处理5分钟。</li>
		<li>用IPA冲洗基底，并在IPA挥发前用氮气（N2）吹干基底。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过PECVD沉积a-Si:H
	<ol>
		<li>将准备好的基底放置于PECVD系统的负载锁定室内的支架（zig）上。</li>
		<li>在PECVD软件中，将腔室温度设为300 °C，射频功率设为800 W。</li>
		<li>设定SiH4气体流速为10 sccm，H2气体流速为75 sccm。</li>
		<li>设定工艺压力为25 mTorr。点击开始按钮以启动沉积过程，持续时间约为300秒。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>形成Cr刻蚀掩模
	<ol>
		<li>将步骤1.2.4中获得的样品装载到旋涂仪的样品托上。使用装有滤膜的5 mL注射器将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）A2滴加到样品表面，并以2,000 rpm的转速旋涂1分钟。 
		注意：滴加的PMMA应覆盖整个基底；否则，旋涂薄膜将不均匀。</li>
		<li>将样品从样品托转移至加热板，在180 °C下烘烤5分钟，然后在室温下冷却1分钟。</li>
		<li>将样品重新装载到旋涂仪的样品托上。使用1 mL移液枪将E-spacer滴加到样品表面，并以2,000 rpm的转速旋涂1分钟。 
		注意：滴加的E-spacer应覆盖整个基底；否则，旋涂薄膜将不均匀。</li>
		<li>将样品装载并固定在电子束光刻（EBL）用的支架（zig）上。将支架放入EBL腔室，然后将其装入主腔室。</li>
		<li>在EBL控制台上，按下隔离按钮，然后按下FC按钮。使用放大倍数调节旋钮将放大倍数调至最大值。</li>
		<li>打开零点检查按钮。旋转束流旋钮，将束流值设为50 pA。关闭零点检查按钮。</li>
		<li>按下参考按钮，使样品台移动至参考位置。关闭空白按钮。</li>
		<li>使用放大倍数旋钮将放大倍数设为100,000。调节聚焦和像散旋钮，使EBL显示器上的图像最清晰。打开空白按钮。</li>
		<li>在连接EBL控制台的计算机上运行Linux终端。使用cd命令将当前路径切换至包含.gds文件的文件夹。</li>
		<li>输入gds2cel命令，将.gds文件转换为.cel文件，并等待转换完成。输入job命令以运行主软件。</li>
		<li>点击芯片尺寸修改菜单。选择600 μm × 600 μm和240,000个点。点击保存，然后点击退出。</li>
		<li>点击图形数据创建菜单。在命令窗口中输入ps，加载由步骤1.3.10生成的图形.cel文件。在命令窗口中输入i，点击图形以放大图像。</li>
		<li>在命令窗口中输入sd和3，将剂量时间设为3 μs。在命令窗口中输入sp和1,1，将曝光间距设为正常条件。在命令窗口中输入pc和一个文件名，以创建.ccc文件。点击图形中心。</li>
		<li>在命令窗口中输入cp，点击图形以应用步骤1.3.13中的曝光条件。在命令窗口中输入sv和一个文件名，以创建.con文件。在命令窗口中输入q，退出图形数据创建菜单。</li>
		<li>点击曝光菜单。输入i和步骤1.3.14中生成的.con文件名。输入e，然后点击曝光按钮以开始曝光过程。 
		注意：曝光时间取决于图形面积和密度。一般300 μm × 300 μm面积的超构表面图形曝光时间约为3小时。</li>
		<li>曝光过程结束后，关闭隔离按钮。按下EX按钮以移动样品台。</li>
		<li>曝光完成后，将样品从腔室中取出。将其浸入50 mL去离子水（DI水）中1分钟，以去除E-spacer。</li>
		<li>在烧杯中配制10 mL甲基异丁基酮（MIBK）:IPA = 1:3的冰浴溶液。将样品浸入该MIBK:IPA = 1:3溶液中12分钟。然后用IPA冲洗样品，并用N2气体吹干。</li>
		<li>将样品装载并固定在电子束蒸发仪的样品托上。将样品托安装至蒸发腔室内。</li>
		<li>在蒸发腔室内装入含块状铬（Cr）的石墨坩埚。</li>
		<li>在电子束蒸发仪软件中，点击腔室抽气按钮，对腔室内部抽真空，使压力降至3 × 10-6 mTorr。</li>
		<li>在材料选项中选择铬，点击材料按钮以确认。点击电子束快门按钮以打开源快门。依次点击高压和源按钮。</li>
		<li>点击向上箭头按钮，缓慢增加电子束功率，并重复此操作，直至沉积速率达到0.15 nm/s。 
		注意：每5秒点击一次已足够缓慢。</li>
		<li>点击归零按钮以重置厚度计。点击主快门按钮以打开主快门。当厚度计显示达到30 nm时，点击主快门按钮以关闭主快门。 
		注意：沉积时间可根据沉积速率轻松计算。在此条件下，30 nm厚度的沉积约需200秒。</li>
		<li>点击电子束快门按钮以关闭源快门。点击向下箭头按钮，缓慢降低电子束功率，并重复此操作，直至功率降至0。 
		注意：每5秒点击一次已足够缓慢。</li>
		<li>依次点击源和高压按钮。等待15分钟以冷却腔室。点击通气按钮对腔室通气，并从样品托上取下样品。</li>
		<li>将样品浸入50 mL丙酮中3分钟。在40 kHz条件下超声处理1分钟。用IPA冲洗样品，并用N2气体吹干。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>a-Si:H的刻蚀工艺
	<ol>
		<li>在样品背面涂抹导热胶。将样品固定在支架（zig）上，并将支架装入刻蚀系统。</li>
		<li>在软件中设定氯气（Cl2）流速为80 sccm，溴化氢（HBr）流速为120 sccm。设定源功率为500 W，偏压为100 V。点击开始按钮，进行100秒的刻蚀。</li>
		<li>取出样品，并用防尘擦拭布清除导热胶。</li>
		<li>将样品先后浸入20 mL Cr刻蚀液中2分钟和50 mL去离子水中1分钟。用去离子水冲洗样品，并用N2气体吹干。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>获取所制备超构表面的扫描电子显微镜图像
	<ol>
		<li>将样品装载到旋涂仪的样品托上，使用1 mL移液枪将E-spacer滴加到样品表面，并以2,000 rpm的转速旋涂1分钟。</li>
		<li>使用碳导电胶带将样品固定在扫描电子显微镜（SEM）的样品托上。将样品托放入SEM的负载锁定室，并对负载锁定室抽真空。</li>
		<li>将样品托从负载锁定室转移至主腔室。开启电子束，加速电压设为15 kV。</li>
		<li>将样品台移动至1 cm的工作距离。通过水平移动样品台找到超构表面区域。调节像散和焦距，直至图像清晰。</li>
		<li>采集图像。</li>
		<li>关闭电子束。将样品台移至取出位置。将样品托从主腔室转移至负载锁定室。</li>
		<li>对负载锁定室通气，并取出样品。</li>
		<li>将样品浸入50 mL去离子水中1分钟，以去除E-spacer。用N2气体吹干样品。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 电介质超表面的光学表征
注意：激光直接照射可能损伤眼睛。应避免眼睛直接暴露于激光，并佩戴合适的激光防护眼镜。
<ol>
	<li>将波长为 635 nm 的激光器安装在光学平台上（图 1a）。打开激光器并等待 10 分钟，以稳定光束功率。</li>
	<li>使用激光器近端和远端的准直屏，调整激光器的水平和垂直准直。</li>
	<li>在激光器前方放置一个中性密度滤光片。在中性密度滤光片后方安装第一个凸透镜。在凸透镜的后焦平面处放置一个光阑，以去除噪声。</li>
	<li>安装第二个凸透镜，其焦距为第一个凸透镜的两倍，并与之保持相应距离。在第二个凸透镜后方放置一个线性偏振片。在线性偏振片后方放置一个右旋圆偏振片。</li>
	<li>在圆偏振片后方安装第三个凸透镜。将制备好的超表面固定在样品 holder 上，并将其置于凸透镜的后焦平面处。 
	注意：激光束应从基底侧入射至图案化区域。</li>
	<li>在超表面后方放置一张厚白纸屏幕，屏幕中心有一个直径为 1 cm 的孔。在光学平台上安装量角器，并使其原点与超表面位置对齐。</li>
	<li>使用功率计测量屏幕上三个衍射光斑（即三个亮斑）的光功率。 
	注意：若激光束功率无法保持恒定，应计算一段时间内的平均光功率。</li>
	<li>将右旋圆偏振片替换为左旋圆偏振片。使用功率计测量三个衍射光束的功率。</li>
	<li>移除左旋圆偏振片。使用功率计测量三个衍射光束的功率。</li>
	<li>通过中性密度滤光片降低激光束功率，以便进行 CCD 测量。放置右旋圆偏振片。使用 CCD 采集三个衍射光束的光强分布图。 
	注意：建议使用较低的激光功率，以避免损坏 CCD。本研究中采用了 300 μW 的光功率。</li>
	<li>将右旋圆偏振片替换为左旋圆偏振片。使用 CCD 采集三个衍射光束的光强分布图。</li>
	<li>移除左旋圆偏振片。使用 CCD 采集三个衍射光束的光强分布图。</li>
	<li>将波长为 635 nm 的激光器更换为波长为 532 nm 的激光器。</li>
	<li>重复步骤 2.2 至 2.12。</li>
</ol>

<ol><li>Khorasaninejad, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metalenses+at+visible+wavelengths%3A+Diffraction-limited+focusing+and+subwavelength+resolution+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging.</a> Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).</li>
<li>Chen, W. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+broadband+achromatic+metalens+for+focusing+and+imaging+in+the+visible%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible.</a> Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).</li>
<li>Zheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metasurface+holograms+reaching+80%25+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Metasurface holograms reaching 80% efficiency.</a> Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).</li>
<li>Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broadband+high-efficiency+dielectric+metasurfaces+for+the+visible+spectrum%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pragmatic+Metasurface+Hologram+at+Visible+Wavelength%3A+The+Balance+between+Diffraction+Efficiency+and+Fabrication+Compatibility%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Pragmatic Metasurface Hologram at Visible Wavelength: The Balance between Diffraction Efficiency and Fabrication Compatibility.</a> ACS Photonics. 5 (5), 1643-1647 (2018).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22Crypto-Display%22+in+Dual-Mode+Metasurfaces+by+Simultaneous+Control+of+Phase+and+Spectral+Responses%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">"Crypto-Display" in Dual-Mode Metasurfaces by Simultaneous Control of Phase and Spectral Responses.</a> ACS Nano. 12 (7), 6421-6428 (2018).</li>
<li>Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+ultrathin+invisibility+skin+cloak+for+visible+light%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">An ultrathin invisibility skin cloak for visible light.</a> Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).</li>
<li>Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+nanofin+grating+as+a+miniature+chirality-distinguishing+beam-splitter%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter.</a> Nature Communications. 5, 5386(2014).</li>
<li>Zhang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+beam+splitters+based+on+gradient+metasurfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces.</a> Optics Letters. 43 (2), 267(2018).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometric+metasurface+enabling+polarization+independent+beam+splitting%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting.</a> Scientific Reports. 8 (1), 9468(2018).</li>
<li>Goodman, J. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGoodman%2C+JW+%22Introduction+to+Fourier+Optics%22">Introduction to Fourier Optics</a>. , Roberts and Company Publishers. Englewood, CO. (2005).</li>
<li>Gerchberg, R. W., Saxton, W. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+algorithm+for+the+determination+of+the+phase+from+image+and+diffraction+plane+pictures%5BTitle%5D)+AND+%22Optik%22%5BJournal%5D)">A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures.</a> Optik. 35 (2), 237-246 (1972).</li>
<li>Yoon, G., Kim, I., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+in+fabrication+towards+realization+of+practical+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials.</a> Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).</li>
<li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Silicon+Metasurfaces+for+Visible+Light%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light.</a> ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).</li>
<li>Dammann, H., Görtler, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-efficiency+in-line+multiple+imaging+by+means+of+multiple+phase+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Communications%22%5BJournal%5D)">High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms.</a> Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

某些加工步骤需要谨慎操作，以制备出与原始设计完全一致的超表面结构。在光刻胶显影过程中，通常推荐使用低温溶液。标准条件为室温，但将溶液温度降低至 0 °C 可以减缓反应速度。尽管相应的反应时间会延长，但相比标准条件可以获得更精细的图案。同时，由于反应速度较低，反应时间也更容易控制。另一个影响图案精细度的关键步骤是在光刻胶显影后对异丙醇（IPA）进行干燥。使用氮气（N2）吹扫可使样品表面残留的 IPA 移动并蒸发。然而，部分 IPA 可能无法被完全移除，从而形成随机分布的液滴岛状结构。如果这些 IPA 液滴岛形成后再蒸发，可能会对样品造成损伤。因此，为最大限度减少 IPA 液滴岛的形成，应采用较强的气流吹扫，除非强气流会导致基底破损。适当的超声功率有助于清晰地剥离薄膜。在剥离（lift-off）步骤完成后，可以使用常规光学显微镜检查薄膜是否已完全剥离。幸运的是，如果在图案区域仍有残留的铬（Cr）薄膜，可通过额外的超声处理去除残留物。这是采用铬掩模的一大优势，因为由其他材料（如金）制成的掩模一旦残留物干燥，将极难去除。
电子束光刻（EBL）是一种制备纳米级结构的有效...

由二维亚波长天线阵列构成的超构表面已展现出多种有前景的光学功能，例如消色差透镜1,2、全息图3,4,5,6以及光学隐身 cloak7。传统的体积极大的光学元件可用超薄的超构表面替代，同时保持原有的功能特性。例如，分束器是一种将入射光束分离为两束光的光学器件。典型的分束器由两个三角棱镜组合而成。由于其界面特性决定了分束性能，因此在不导致功能退化的情况下难以进一步缩小物理尺寸。另一方面，利用编码了一维线性相位梯度的超构表面，可实现超薄型分束器8,9。超构表面的厚度小于其工作波长，且其分束特性可通过相位分布进行调控。
我们设计了一种超表面分束器，能够生成强度相等的光束，且不受入射光偏振态的影响10。该特性源于一种傅里叶全息图。由于在黑色背景上产生两个白点图像，超表面生成的全息图与编码图像完全相同。傅里叶全息图没有特定的焦距，因此编码图像可在超表面后方整个空间内被观察到11。若在超表面后方生成相同的双点图像，则该器件亦可作为分束器工作。超表面所实现的傅里叶全息图会相对于正交偏振态产生一个倒置的图像，称为孪生像。通常情况下，孪生像被视为噪声。然而，本超表面中编码的双点图像具有原点对称性，使得原始图像与孪生像能够完美重叠。由于任意偏振态均可表示为右旋圆偏振（RCP）和左旋圆偏振（LCP）的线性组合，因此本文所述器件表现出偏振无关的功能特性。
本文介绍了一种用于制备和光学表征可实现等强度光束生成的介质超表面的实验方案。该器件的相位分布由通常用于纯相位全息图的 Gerchberg–Saxton (GS) 算法获得12。采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）在熔融石英基底上沉积300 nm厚的非晶硅（a-Si:H）薄膜。利用电子束光刻技术（EBL）在a-Si:H薄膜上定义Cr掩模，其图案对应于GS算法所得的相位分布。采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）技术，以Cr掩模为模板对a-Si:H薄膜进行刻蚀。随后使用Cr刻蚀液去除剩余的Cr掩模，完成样品制备。通过自主搭建的光学系统对所制备的超表面进行光学功能表征。当激光束入射至超表面时，透射光束被分为三部分，即两束衍射光和一束零级透射光。衍射光束偏离入射光路径的延长线方向，而零级光束则沿该延长线传播。为验证该器件的功能，我们分别使用功率计、CCD相机和量角器测量了光束功率、光束轮廓和衍射角。
所有采用的制备工艺和材料均针对目标功能进行了优化。对于可见光工作频率，单个天线的尺寸应为几百纳米，且材料本身在可见光波长范围内应具有较低的光学损耗。当定义如此微小的结构时，仅有少数几种制备方法适用。典型的光刻技术以及直接激光写入技术由于受到衍射极限的限制，无法实现此类结构的制备。聚焦离子束刻蚀虽可使用，但存在镓污染、图案设计依赖性以及加工速度慢等关键问题。实际上，电子束光刻（EBL）是实现可见光频段超构表面制备的唯一可行方法13。
由于金属不可避免地存在欧姆损耗，通常更倾向于使用电介质。非晶硅（a-Si:H）的光学损耗足够低，能够满足我们的需求。尽管a-Si:H的光学损耗不如低损耗电介质（如二氧化钛1,4和单晶硅14）那样低，但其制备工艺要简单得多。典型的蒸发和溅射工艺无法沉积a-Si:H薄膜，通常需要采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。在PECVD过程中，来自SiH4和H2气体的部分氢原子会被捕获在硅原子之间，从而形成a-Si:H薄膜。定义a-Si:H图形有两种方法：一种是在已图形化的光刻胶上沉积a-Si:H，随后进行剥离工艺；另一种是在a-Si:H薄膜上定义刻蚀掩模，然后进行刻蚀工艺。前者适用于蒸发工艺，但a-Si:H薄膜难以通过蒸发法沉积，因此后者是制备a-Si:H图形的最佳方法。铬（Cr）被用作刻蚀掩模材料，因其与硅具有很高的刻蚀选择性。

<table><tbody><tr><td>等离子体增强化学气相沉积</td><td>BMR Technology</td><td>HiDep-SC</td><td></td></tr><tr><td>电子束光刻</td><td>Elionix</td><td>ELS-7800</td><td></td></tr><tr><td>电子束蒸发系统</td><td>Korea Vacuum Tech</td><td>KVE-E4000</td><td></td></tr><tr><td>电感耦合等离子体反应离子刻蚀</td><td>DMS</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>Honda</td><td>W-113</td><td></td></tr><tr><td>电子束光刻胶</td><td>MICROCHEM</td><td>495 PMMA A2</td><td></td></tr><tr><td>光刻胶显影液</td><td>MICROCHEM</td><td>MIBK:IPA=1:3</td><td></td></tr><tr><td>导电聚合物</td><td>Showa denko</td><td>E-spacer</td><td></td></tr><tr><td>铬刻蚀液</td><td>KMG</td><td>CR-7</td><td></td></tr><tr><td>丙酮</td><td>J.T. Baker</td><td>925402</td><td></td></tr><tr><td>2-丙醇</td><td>J.T. Baker</td><td>909502</td><td></td></tr><tr><td>铬蒸发源</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCR35D</td><td></td></tr><tr><td>准直激光二极管模块</td><td>Thorlabs</td><td>CPS-635</td><td>波长: 635 nm</td></tr><tr><td>Nd:YAG 激光器</td><td>GAM laser</td><td>GAM-2000</td><td>波长: 532 nm</td></tr><tr><td>功率计</td><td>Thorlabs</td><td>S120VC</td><td></td></tr><tr><td>CCD 相机</td><td>INFINITY</td><td>infinity2-2M</td><td></td></tr><tr><td>中性密度滤光片</td><td>Thorlabs</td><td>NCD-50C-4-A</td><td></td></tr><tr><td>线性偏振片</td><td>Thorlabs</td><td>LPVISA100-MP2</td><td></td></tr><tr><td>透镜</td><td>Thorlabs</td><td>LB1676</td><td></td></tr><tr><td>光圈</td><td>Thorlabs</td><td>ID25</td><td></td></tr><tr><td>圆形偏振片</td><td>Edmund optics</td><td>88-096</td><td></td></tr><tr><td>样品台</td><td>Thorlabs</td><td>XYFM1</td><td></td></tr><tr><td>PECVD 软件</td><td>BMR Technology</td><td>HIDEP</td><td></td></tr></tbody></table>

通过介电超表面实现等强度光束生成的演示

Demonstration of Equal-Intensity Beam Generation by Dielectric Metasurfaces

本文演示了一种用于实现等强度光束生成的超表面分束器的制备与表征方法。采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在熔融石英基底上沉积氢化非晶硅（a-Si:H）。传统蒸发法沉积的非晶硅在可见光频段会产生严重的光学损耗，从而影响器件性能。非晶硅薄膜中的氢原子能够减少结构缺陷，从而改善光学损耗。在可见光频段工作时，超表面需要尺寸为数百纳米量级的纳米结构。由于衍射极限的限制，传统的光刻或直接激光写入技术难以实现此类微小结构的加工。因此，采用电子束光刻（EBL）在薄膜上定义铬（Cr）掩膜。在此过程中，显影在低温下进行，以减缓化学反应速度，使图形边缘更加清晰。最后，利用电感耦合等离子体–反应离子刻蚀（ICP-RIE）沿掩膜刻蚀a-Si:H。由于EBL通量较低，该方法目前不适用于大规模制备，但可通过与纳米压印光刻技术结合加以改进。所制备的器件通过一套定制的光学系统进行表征，系统包括激光器、偏振片、透镜、功率计和电荷耦合器件（CCD）。通过改变激光波长和偏振态，测量器件的衍射特性。测量结果显示，无论入射光偏振态如何，也不论波长变化，各衍射光束的输出功率始终保持相等。

测量结果表明，本文展示的器件具有偏振无关的功能特性（图1）。测得的衍射级次 m = ±1 的光束功率在不同入射偏振态（即右旋圆偏振、左旋圆偏振和线偏振）下均相等。由于任意偏振态均可通过右旋圆偏振和左旋圆偏振的线性组合分解表示，因此该器件的功能在任意偏振态下均可保持。在波长分别为 532 nm 和 635 nm 时，对应的衍射角分别为 24° 和 28.5°，且可通过改变编码全息图来调控这些角度。
衍射效率定义为衍射光束功率（m = ±1）与入射光束功率之比。本文所展示的器件由尺寸相同但取向不同的纳米棒构成，基于几何相位实现宽带操作（图2）。理论上，两个波长下的衍射效率均应高于20%。然而，实测的衍射效率在λ = 532 nm时为18.3%，在λ = 635 nm时为9.1%。该差异主要源于入射光束尺寸大于超表面本身。零级光束的实测轮廓清楚表明，入射光束尺寸超过了超表面范围（即部分入射光束未与超表面相互作用而直接进入功率计，从而降低了衍射效率）（<strong cl...

本文介绍了一种介电超表面的制备及其光学表征的实验方案。该方法不仅可用于制备光束分束器，还可广泛应用于其他各类介电超表面的制备，例如透镜、全息器件和光学隐身 cloak 等。

超表面分束器的制备与表征方法，可实现等强度光束的生成，本文对此进行了演示。氢化非晶硅...

本方案提供了一种详细的制备方法，用于实现高效率超构表面，这是超构表面研究领域中最重要的问题之一。与其他用于测试原子层沉积的方法相比，该技术是一种低成本、快速制备可见光波段高效超构表面的方法。通过改变图案结构，该方案可广泛应用于制备各类通用超构表面，如透镜、全息图和光学钟等。该技术可为利用硅微纳结构的硅基光子学研究领域提供深入见解。超表面的基底材料为熔融石英。准备一块边长为两厘米、双面抛光且洁净的方形熔融石英基底。将基底放入PECVD系统中。在装载锁腔室内，将基底放置在夹具上。关闭腔室并准备运行系统。在控制软件中，通过设定温度、射频功率、气体流速和工艺压力来设置沉积过程。沉积过程约需300秒，完成后取出样品。将沉积有非晶硅氢化物的样品转移至匀胶机。将样品装载到甩胶机的样品托上。接着，取一支装有含2% anusol的PMMA的带滤器5毫升注射器，在启动旋转前将PMMA涂覆在样品表面，然后以2,000 RPM转速旋转一分钟。完成后，将样品转移至加热板上。在180摄氏度下烘烤样品5分钟。随后，取出样品冷却1分钟，再继续后续操作。然后将样品放回旋涂仪中。使用1 mL移液器在其表面滴加导电聚合物溶液。以2,000 RPM转速旋涂1分钟。当镀膜完成后，将样品用于电子束光刻。将样品固定在设备的夹具上，然后将夹具放入设备的腔室中，完成装载过程。继续操作控制台，并为实验步骤准备电子束光刻系统。系统准备就绪后，在连接至控制台的计算机上进行操作。在该系统中，使用命令行将 GDS 文件转换为 CEL 文件。文件转换完成后，输入 job 以启动电子束光刻（EBL）软件。使用命令行检查所需图案是否已保存为当前目录下的 CEL 格式文件。输入 job 以运行该软件。在软件中，点击芯片尺寸修改菜单。选择 600 微米 × 600 微米。接下来，选择 240,000 个点。保存更改，然后退出此界面。现在点击图案数据创建菜单。在命令窗口中输入 PS 以加载该模式的 CEL 文件。在命令窗口中输入 I。然后单击该模式以放大图像。现在在命令窗口中输入 ST0，将剂量时间设置为三微秒。输入 SP11，将曝光间距设置为正常状态。通过输入 PC 命令及文件名来创建一个 CCC 文件。完成后，单击图案中心。要应用曝光条件，请在命令窗口中输入 CP，然后单击该图案。输入 SV 及文件名以创建 CON 文件。输入 Q 以退出此模式数据创建菜单。继续点击曝光菜单，输入 I 和选定的 CON 文件名，将剂量值设置为 2.4。按下退出按钮以完成排程。然后输入 E 并单击曝光按钮以开始曝光过程。当曝光过程结束后，返回电子束光刻控制台。将隔离按钮转至关闭位置。按下 EX 按钮以移动载物台，然后从腔室中取出样品。接下来，准备去除导电聚合物。将样品浸入50毫升去离子水中，持续一分钟。然后将样品转移至由冰包围的10毫升甲基异丁基酮与异丙醇混合溶液中。12 分钟后，取出样品并用异丙醇冲洗，然后用氮气吹干。下一步需要使用电子束蒸发仪。将样品固定在蒸发仪的样品托上，并将样品托安装到蒸发室内。然后取出待用于蒸发仪的铬。将块状铬放入石墨坩埚中，准备将其蒸发至样品表面。将坩埚装入腔室。接着操作电子束蒸发仪的软件，点击腔室抽气按钮，以在腔室内创建真空。在材料部分，选择铬。然后点击材料按钮以应用所选材料。点击电子束快门按钮以打开光源快门。接下来，点击高压。然后点击光源，使用向上箭头缓慢增加光束功率。达到目标沉积速率后停止。要重置厚度计，请点击归零按钮。点击主快门按钮以打开该快门。监测厚度仪。当厚度仪显示达到30纳米时，点击主快门按钮以关闭快门。点击电子束快门以关闭源快门。使用向下箭头缓慢将光束功率降低至零。降至零后，依次点击光源和高压。让腔体冷却15分钟，然后点击放气。将样品从腔室和样品托上取下，随后进行剥离处理。首先，将其浸入50毫升丙酮中三分钟。随后在40千赫兹条件下超声处理一分钟。用异丙醇冲洗样品，并用氮气吹干。此时，样品已准备好进行刻蚀。获取导热胶，并在将样品安装到刻蚀系统的夹具上之前，将其涂抹在样品背面。将夹具装入刻蚀系统中。在计算机上设置氯气和溴化氢气体的流量、源功率和偏压，然后进行100秒的刻蚀。蚀刻完成后，取出样品。使用无尘布去除热胶。将样品浸入 20 毫升铬蚀刻液中，持续两分钟。然后将其转移至50毫升去离子水中处理一分钟。用去离子水冲洗样品，并用氮气吹干。这是一张超表面顶部的扫描电子显微镜图像。每个细胞的底面尺寸为 150 纳米 × 80 纳米，细胞高度为 300 纳米。该俯视图中可观察到细胞的更多细节。当532纳米激光束入射到超表面上时，测量光束功率的实验展示了该器件的偏振无关特性。对于右旋圆偏振光束、线偏振光束和左旋圆偏振光束，在正一阶和负一阶衍射级次中的功率均相等。使用635纳米激光束进行的实验也得到类似结果。显影步骤是最重要的一步，因为反应速度较慢，我们可以精确控制显影过程。大多数失败发生在干燥步骤中。应牢记，通常强吹气效果优于弱吹气。该方法不仅适用于一般的介电超表面，还可用于硅基光子学和微电子机械系统。通常，我们可通过此技术制备精细的纳米结构，从而为研究光与某些波长尺度结构之间的相互作用提供途径。PMMA 和显影液蒸气均具有危害性，因此涉及这些物质的操作必须在通风橱中进行。

demonstration-equal-intensity-beam-generation-dielectric

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

电介质元表面的等强度光束生成演示

本方案概述了太赫兹超材料吸收器的模拟、制备与表征。此类吸收器若与适当的传感器结合，可应用于太赫兹成像与光谱学。...

太赫兹超材料吸收体的仿真、制备与表征

我们介绍了等离激元光电导发射器的设计、制备及实验表征方法，其太赫兹输出功率比传统光电导发射器高出两个数量级。...

等离激元光电导太赫兹发射器的设计、制备与实验表征

大型激光干涉仪正在被建造，以开创基于引力波的新型天文学。与许多其他高精度实验一样，其灵敏度正接近基本噪声极限，例如其组件的原子振动。我们正率先采用新型激光光束形状的技术，以突破这些极限。...

用于高精度干涉测量的高阶拉盖尔-高斯光束的产生

我们报道，通过利用有机光致变色衍生物在低光强下发生光异构化所引发的转变，可以突破传统光学光刻的衍射极限1-3。本文概述了我们的制备技术以及两种锁定机制，即：一种光异构体的溶解以及电化学氧化。...

通过光学饱和跃迁进行图案化——制备与表征

我们提出了一种利用高分辨率库仑爆炸成像装置创建分子转动波包实时电影的实验方案。...

直接成像激光驱动的超快分子转动

由于超透镜在实时成像和与传统光学系统结合使用方面的简便性具有显著优势，其应用已被视为一种新颖的超分辨率成像技术。本文介绍了一种球面超透镜的制备及其成像应用的实验方案。...

超透镜集成显微镜的演示与超分辨率成像

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。...

高效宽调谐范围MEMS滤波器的设计与表征方法

本方案描述了用于测定光发射体与源于周期性阵列的类布洛赫表面等离激元激子之间激发和耦合速率的仪器方法。...

光发射体与表面等离激元极化激元之间激发和耦合速率的测定

我们描述了一种基于多量子干涉效应的光学系统，用于产生无条件的偏振纠缠光子，并结合一种检测方案来估计所产生纠缠光子的实验保真度。...

基于多量子干涉的无条件偏振纠缠光子产生光子系统

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

增材制造聚合物已广泛用于制备弹性超材料。然而，这些聚合物在超声频率下的粘弹性行为仍缺乏深入研究。本研究报道了一种用于估算3D打印聚合物粘弹性特性的实验方案，并展示了如何利用该方法分析超材料的动力学行为。...

表征通过增材制造制备的耗散弹性超材料

了解电介质元表面的高效制备方法，使用原子层沉积技术在熔融石英基底上实现快速低成本制造。该技术可制备透镜、全息图等光学器件，为硅光子学研究提供重要见解。

通过介电超表面实现等强度光束生成的演示

探索更多视频