方法論記事

誘電メタサーフェスによる等強度ビーム生成の実証

DOI：

10.3791/59066

⸱

2019年6月7日

 ,  , 
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)

この記事について

サマリー

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誘電体メタサーフェスの製造および光学特性化のためのプロトコルが提示される。この方法は、ビームスプリッタだけでなく、レンズ、ホログラム、光学マントなどの一般的な誘電体メタサーフェスの製造にも適用できます。

要約

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メタサーフェスビームスプリッタの製造および特性特性プロトコルは、等強度ビーム生成を可能にする、実証されている。水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)は、プラズマ増強化学蒸着(PECVD)を用いて、融合シリカ基板上に堆積する。蒸発によって堆積した典型的な非晶質シリコンは、目に見える周波数での動作を妨げ、深刻な光学損失を引き起こす。非晶質シリコン薄膜内部の水素原子は、構造上の欠陥を低減し、光学損失を改善することができます。数百ナノメートルのナノ構造は、可視周波数のメタサーフェスの動作に必要です。従来のフォトリソグラフィーまたは直接レーザー書き込みは、回折限界のために、このような小さな構造を製造する場合には実現不可能である。従って、電子ビームリソグラフィ(EBL)は、薄膜上のクロム(Cr)マスクを定義するために利用される。このプロセスの間に、露出した抵抗は化学反応を遅くし、パターンの端をシャープにするために低温で開発される。最後に、a-Si:Hは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE)を使用して、マスクに沿ってエッチングされます。実証された方法は、EBLの低スループットによる大規模な製造には適していませんが、ナノインプリントリソグラフィと組み合わせることで改善することができます。製造された装置はレーザー、偏光子、レンズ、パワーメーターおよび荷重結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学の組み立てによって特徴付けされる。レーザーの波長と偏光を変更することで、回折特性を測定します。測定された回折ビームパワーは、入射偏光や波長に関係なく、常に等しくなります。

概要

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2次元サブ波長アンテナアレイからなるメタサーフェスは、多くの有望な光学機能を実証してきました 1,2, ホログラム 3,4,5 、6、および光学マント7。従来のかさばる光学部品は、元の機能を維持しながら、超薄型メタサーフェスに置き換えることができます。たとえば、ビーム スプリッタは、入射ビームを 2 つのビームに分離するために使用される光学デバイスです。典型的なビームスプリッタは2つの三角形のプリズムを結合することによってなされる。その界面特性によってビーム分割特性が決まるため、機能的な劣化なしに物理サイズを小さくすることは困難です。一方、超薄型ビームスプリッタは、1次元線形位相勾配8、9でエンコードされたメタサーフェスで実現することができる。メタサーフェスの厚さは動作波長よりも小さく、位相分布によって分離特性を制御できます。

我々は、入射偏光....

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プロトコル

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1. 誘電面の製造

  1. 融合シリカ基板のプリクリーニング
    1. 両面研磨された融合シリカ基板(長さ:2cm;幅:2cm、厚さ:500μm)を調製します。
    2. アセトンの50 mLに融合シリカ基板を浸漬し、40 kHzで5分間の超音波処理を行います。
    3. 2-プロパノール(IPA)の50 mLに基板を浸漬し、40 kHzで5分間超音波処理を行います。
    4. IPAで基板をすすいで窒素(N2)ガスを吹き飛ばし、IPAの蒸発前に基板を乾燥させます。
  2. PECVDによるa-Si:Hの堆積
    1. PECVDシステムのロードロックチャンバ内のジグ上に準備された基板を見つけます。
    2. PECVD ソフトウェアでは、チャンバ温度を 300 °C に設定し、無線周波数電力を 800 W に設定します。
    3. SiH4ガス流量を 10 sccm に設定し、H2ガス流量を 75 sccm に設定します。
    4. プロセス圧力を 25 mTorr に設定します。[スタート]ボタンをクリックして、~300 s の堆積プロセスを開始します。
  3. Crエッチ....

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結果

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測定結果は、ここに示すデバイスの偏波に依存しない機能を示しています (図1)。m = ± 1 の回折順序の測定されたビーム力は、入射偏光状態(RCP、LCP、線形偏波)に関係なく等しくなります。任意の偏光状態は RCP と LCP の線形組み合わせによって分解できるため、偏光状態に関係なく、デバイスの機能を維持できます。回折角度は、それぞれ532 nmと635nmの波長に対して24°および28.5°であり、エンコードされたホログラムを変更することで角度を制御することができます。

回折効率は、入射ビームパワーに対する回折ビームパワー(m =±1)の比率によって定義されます。ここで示すデバイスは、幾何相生成のブロードバンド動作に基づいて異なる向きを持つ同じサイズのナノロッドで構成されています(図2)。理論的には、両方の波長の効率が20%より高くする必要があります。ただし、測定された回折効率はλ =532 nmで18.3%、λ=635nmで9.1%である。この不一致は、.......

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ディスカッション

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元の設計と同じメタサーフェスを生成するために、いくつかの製造手順を慎重に行う必要があります。レジスト開発プロセスでは、通常、低温溶液が好ましい。標準条件は室温ですが、溶液温度を0°Cに下げて反応速度を遅くすることができます。対応する反応時間は長くなりますが、標準条件よりも細かいパターンが得られます。反応時間制御も反応速度が低いため簡単です。微細なパターンのためのもう一つの重要なステップは、レジスト開発後にIPAを乾燥することです。N2ガスは、サンプル上のIPAの残りの部分を移動し、蒸発します。IPA の一部の量は移動せず、ランダムに分散された島を作成します。IPA島が形成され、蒸発した場合、サンプルは損傷を受けます。従って、IPA島形成を最小限に抑えるために、強い気流によって基板が壊れていない限り、弱い吹き付けよりも強い吹き付けが優れている。超音波処理の適切なパワーは、明らかに薄膜を剥がすのに役立ちます。リフトオフ工程後、従来の光学顕微鏡を用いて薄膜がはっきりと剥がれるかどうかを確認することができる。幸いなことに、任意のCr薄膜がパターン化された領域に残っている場合、追加の超音波処理プロセスによって残渣を除去するこ.......

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開示事項

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著者は何も開示していない。

謝辞

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この研究は、国立研究財団助成金(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2018M3D1A1058998、NRF-2015R1A1A1037666)、韓国科学省の資金提供を受けています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
プラズマ化学蒸着BMR技術HiDep-SC
電子ビームリソグラフィーElionixELS-7800
電子ビーム蒸着システム韓国真空技術KVE-E4000
誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングDMS超音波
洗浄機ホンダW-113
電子ビームレジストMICROCHEM495 PMMA A2
レジスト現像液MICROCHEMMIBK:IPA=1:3
導電性高分子昭和電工Eスペーサー
クロムエッチング液KMGCR-7
アセトンJ.T.ベイカー925402
2-プロパノールJ.T.ベイカー909502
クロム蒸発源Kurt J. LeskerEVMCR35D
コリメートレーザーダイオードモジュールThorlabsCPS-635波長:635 nm
ND:YAG レーザーGAM レーザーGAM-2000波長:532 nm
パワーメーターThorlabsS120VC
CCD カメラINFINITYinfinity2-2M
ND フィルターThorlabsNCD-50C-4-A
直線偏光板ThorlabsLPVISA100-MP2
レンズThorlabsLB1676
アイリスThorlabsID25
円偏光子Edmund optics88-096
サンプルホルダーThorlabsXYFM1
PECVD ソフトウェアBMR テクノロジーヒデップ

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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