Artículo de método

Demostración de la generación de haz de igual intensidad por Metasurfaces dieléctricos

DOI:

10.3791/59066

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7 de junio de 2019

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1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 3National Institute of Nanomaterials Technology (NINT)

En este artículo

Resumen

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Se presenta un protocolo para la fabricación y caracterización óptica de metasuperficies dieléctricas. Este método se puede aplicar a la fabricación no sólo de divisores de haz, sino también de metasuperficies dieléctricas generales, como lentes, hologramas y capas ópticas.

Resumen

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Se demuestra el protocolo de fabricación y caracterización para un divisor de haz de metasuperficie, que permite la generación de haces de igual intensidad. El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) se deposita en el sustrato de sílice fusionada, utilizando la deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD). El silicio amorfo típico depositado por evaporación causa una pérdida óptica grave, lo que afecta la operación a frecuencias visibles. Los átomos de hidrógeno dentro de la película delgada de silicio amorfo pueden reducir los defectos estructurales, mejorando la pérdida óptica. Se requieren nanoestructuras de unos pocos cientos de nanómetros para el funcionamiento de metasuperficies en las frecuencias visibles. La fotolitografía convencional o la escritura directa con láser no es factible cuando se fabrican estructuras tan pequeñas, debido al límite de difracción. Por lo tanto, la litografía de haz de electrones (EBL) se utiliza para definir una máscara de cromo (Cr) en la película delgada. Durante este proceso, la resistencia expuesta se desarrolla a una temperatura fría para ralentizar la reacción química y hacer que los bordes del patrón sean más nítidos. Finalmente, a-Si:H se graba a lo largo de la máscara, utilizando grabado de iones reactivos plasma acopladoinamente (ICP-RIE). El método demostrado no es factible para la fabricación a gran escala debido al bajo rendimiento de EBL, pero se puede mejorar combinándolo con litografía de nanoimpresión. El dispositivo fabricado se caracteriza por una configuración óptica personalizada que consiste en un láser, polarizador, lente, medidor de potencia y dispositivo acoplado a la carga (CCD). Al cambiar la longitud de onda del láser y la polarización, se miden las propiedades de difracción. Las potencias de haz difractadas medidas son siempre iguales, independientemente de la polarización incidente, así como la longitud de onda.

Introducción

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Metasurfaces que consisten en matrices de antenas bidimensionales de sublongitud han demostrado muchas funcionalidades ópticas prometedoras, tales como lentes acromáticas1,2, hologramas3,4,5 ,6, y capas ópticas7. Los componentes ópticos voluminosos convencionales se pueden reemplazar con metasuperficies ultrafinas mientras se mantienen las funcionalidades originales. Por ejemplo, un divisor de haz es un dispositivo óptico que se utiliza para separar un haz in....

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Protocolo

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1. Fabricación del metasuperficie dieléctrica

  1. Prelimpieza de un sustrato de sílice fusionado
    1. Preparar un sustrato de sílice pulido de doble cara y fusionado (longitud: 2 cm; ancho: 2 cm; espesor: 500 m).
    2. Sumerja el sustrato de sílice fusionada en 50 ml de acetona y realice el proceso de sonicación durante 5 min a 40 kHz.
    3. Sumerja el sustrato en 50 ml de 2-propanol (IPA) y lleve a cabo el proceso de sonicación durante 5 min a 40 kHz.
    4. Enjuague el sustrato con el IPAy el gas de nitrógeno soplado (N 2) para secar el sustrato antes de la evaporación del IPA.
  2. Deposi....

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Resultados

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Los resultados de la medición muestran la funcionalidad independiente de polarización del dispositivo presentado aquí (Figura1). Las potencias de haz medidas de las órdenes de difracción de m a 1 son iguales independientemente del estado de polarización del incidente (es decir, RCP, LCP y polarización lineal). Puesto que cualquier estado de polarización arbitraria puede ser descompuesto por la combinación lineal de RCP y LCP, la funcionalidad del dispositivo se puede mantener, independientem.......

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Discusión

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Algunos pasos de fabricación deben llevarse a cabo cuidadosamente, para generar un metasuperficie que sea el mismo que el diseño original. En el proceso de desarrollo de resistencia, generalmente se prefiere una solución a baja temperatura. La condición estándar es la temperatura ambiente, pero la velocidad de reacción se puede reducir disminuyendo la temperatura de la solución a 0 oC. Aunque el tiempo de reacción correspondiente se hace más largo, se puede obtener un patrón más fino que con las condiciones estándar. El .......

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo cuenta con el apoyo financiero de las subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT), República de Corea.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Deposición química de vapor mejorada por plasmaTecnología BMRHiDep-SC
Litografía por haz de electronesElionixELS-7800
Sistema de evaporación por haz EKorea Vacuum TechKVE-E4000
Grabado iónico reactivo por plasma acoplado inductivamenteDMS-Limpiador
ultrasónicoHondaW-113
Resistencia al haz de electronesMICROCHEM495 PMMA A2
Reveladorresistente MICROCHEMMIBK:IPA=1:3
Polímero conductorShowa denkoE-spacer Espaciador E Grabador
cromoKMGCR-7
AcetonaJ.T. Baker925402
2-propanolJ.T. Baker909502
Fuente de evaporación de cromoKurt J. LeskerEVMCR35D
Módulo de diodo láser colimadoThorlabsCPS-635 longitud deonda: 635 nm
láser ND:YAGláser GAM Longitudde onda GAM-2000: 532 nm
medidor de potenciaThorlabsS120VC
Cámara CCDINFINITYFiltro
ThorlabsNCD-50C-4-A
Polarizador linealThorlabsLPVISA100-MP2
LenteThorlabsLB1676
IrisThorlabsID25
Polarizador circularEdmund optics88-096
portamuestrasThorlabsXYFM1
PECVD softwareBMR TechnologyESCONDITE
de ND infinito2-2M

Referencias

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  1. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  2. Chen, W. T., et al. A broadband achromatic metalens fo....

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