Name: スピン多重化および方向多重化全誘電体可視メタホログラムの実証 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: 学ぶ スピン・方向多重化全誘電体可視メタホログラムの作製と光学実験による機能検証。走査型電子顕微鏡と光学測定を用いた手法で、投影型立体ディスプレイや情報暗号化への応用可能性を示す。

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この研究は、韓国政府の科学・ICT省が資金を提供する国立研究財団(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2019R1A5A8080290)によって財政的に支援されました。I.K.は、韓国政府の文部省が出資するNRFグローバルPhDフェローシップ(NRF-2016H1A1A1906519)を認めています。

1. デバイスの製造
注: 図 1 は、A-Si:H メタサーフェス17の製造プロセスを示しています。
<ol><li>フィラシリカウエハピース(サイズ=2cm×2cm、厚み=500μm)を基板として用意します。アセトンとイソプロピルアルコール(IPA)で基板をリンスし、それを乾燥させるために基板上に窒素ガスを吹き付けます。</li>
	<li>380 nm厚いa-Si:H膜を、プラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)を使用して、次の設定で堆積します: チャンバー温度 = 300 °C;無線周波数電力 = 800 W;ガス流量 = SiH4の場合は 10 sccm、H2 の場合は 75 sccm、2プロセス圧力 = 25 mTorr;時間 = 30 s.</li>
	<li>電子ビームリソグラフィフォトレジストをスピンコートします。ポリメチルメタクリレート(PMMA)A2を基板にドロップし、回転速度2,000 rpmで1分間スピンコートします。</li>
	<li>180°Cのホットプレートでレジストコーティングされた基板を5分間焼きます。</li>
	<li>電子ビーム書き込みプロセス中の電荷蓄積を防止するために、導電性ポリマー層をスピンコートします。導電性ポリマー(例えば、エスパーサー)を基板にドロップし、回転速度2,000rpmでスピンコートを1分間落とします。</li>
	<li>80kVの加速電圧と50pAの電流で電子ビームリソグラフィを実行します。</li>
	<li>試料を脱イオン(DI)水に2分間浸漬し、導電性ポリマー層を除去します。サンプルを1:3メチルイソブチルケトン(MIBK):12分間のアイスカップで囲まれたIPA溶液を浸し、露出パターンを現像します。次に、サンプルを30 sのIPAでリンスします。</li>
	<li>eビームエバポレーターを用いて30nm厚クロム(Cr)フィルムを付着する。</li>
	<li>サンプルをアセトンに浸して、未露光フォトレジスト層を除去し、Crパターンを基板に移します。40 kHzで1分間ソニッケートし、30 sのIPAですすいでください。</li>
	<li>500 Wの電源を持つドライエッチャーを使用してCrパターンをa-Si:H層に移すために、発見されたa-Si:H層をエッチングし、100Vのバイアス、Cl2 の場合は80 sccmのガス流量、HBrの場合は120 sccmのガス流量を使用します。</li>
	<li>Crエッチ液にサンプルを浸し、Crエッチマスクを除去します。次に、サンプルをアセトン、IPA、DI水でそれぞれ30sで順次リンスします。</li>
</ol>2. 走査型電子顕微鏡特性
<ol><li>電子ビーム走査プロセス中の電荷蓄積を防止するために、導電性ポリマー層をスピンコートする。導電性ポリマーを基板にドロップし、回転速度2,000rpmでスピンコートを1分間落とします。</li>
	<li>カーボンテープを使用して、基板をサンプルホルダーに固定します。 AIR ボタンを押して、ロードロックチャンバーを通気します。</li>
	<li>ホルダーをロードロック室の保持棒に置きます。 EVAC ボタンを押して、ロードロックチャンバーを退出します。</li>
	<li>Zセンサーを8mm、Tセンサーを0°に設定して、ステージ高さと傾斜角度を設定します。</li>
	<li>OPENボタンを押して、ロードロック室のドアを 開 きます。ホールディングロッドを押して、ホールダーをメイン走査型電子顕微鏡(SEM)チャンバーに移します。ロッドを引き出し 、CLOSE ボタンを押します。</li>
	<li>電子銃をオンにする前に真空状態を確認してください。 点滅 ボタンを押して、瞬時に高電圧で電子銃のカーボンや埃を除去することで、点滅機能を実行します。</li>
	<li>SEMソフトウェアの ON ボタンをクリックして、加速電圧5kVの電子銃をオンにします。</li>
	<li>ソフトウェアの BEAM アライメント パネルをクリックして、電子ビームを中心位置に正確に配置するように 、ビームアライメント を調整します。ステージ コントローラを使用して、中心にある梁を配置します。</li>
	<li>ソフトウェアの APERTURE アライメント パネルをクリックして、アパーチャーの位置合わせとスティグマの位置合わせを調整して、円形の電子ビームを作成します。スティグマコントローラを使用して、安定したビームを作って同じ場所でスキャンします。</li>
	<li>適切なフォーカスとスティグマ調整で SEM 画像をキャプチャします。</li>
	<li>ソフトウェアの OFF ボタンをクリックして電子線をオフにします。 HOME ボタンをクリックして、ステージを元の位置に戻します。</li>
	<li>メインチャンバーのドアを開け、ロッドを押してサンプルホルダーを拾います。 AIR ボタンを押してロードロックチャンバーを通し、ホルダーをアンロードします。</li>
	<li>サンプルをDI水でリンスし、導電性ポリマー層を除去します。</li>
</ol>スピン多重化メタホログラムの光学的特徴付け
<ol><li>「材料表」に記載されている光学部品を準備します。</li>
	<li>ダイオードレーザーモジュールを、1インチの光マウントに接続できるアダプタに取り付けます。ポストとポストホルダーを使用してダイオードレーザーの高さを調整し、クランプを使用して位置を固定します。 注:すべての光学部品は、ポストとポストホルダーを使用して取り付け、クランプを使用して位置に固定する必要があります。</li>
	<li>1インチの回転マウントを使用して半波プレートを組み立て、レーザーモジュールの前面にプレートを置き、直線偏光を回転させます。</li>
	<li>1インチのキネマティックマウントに2つのミラーを取り付け、1枚のアライメントディスクを取り付けて、初期ビームの方向を揃えます。<ol>
<li>レーザーの前に位置合わせディスクを配置し、高さを設定します。2 つのミラーを配置して、梁がそれぞれ 90° で 2 回曲がり、方向を交互に配置します。</li>
		<li>2番目のミラーの近くに位置付けディスクを配置し、ノブを回転して中心のライトを揃えて最初のミラーの角度を調整します。</li>
		<li>2番目のミラーから遠く位置合わせディスクを配置し、ノブを回転して中心のライトを揃えて、2番目のミラーの角度を調整します。</li>
		<li>ライトが両方の場所で位置合わせディスクの中心を通過するまで、ステップ 3.4.2 と 3.4.3 を繰り返します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>ミラーの背後にニュートラル密度フィルタを配置して、光の強度をコントロールします。中性密度フィルターの後ろに虹彩を置き、入射光の直径を制御します。</li>
	<li>円偏光を作るためには、虹彩の後ろに直線偏光板と4分の1の波板を置きます。各コンポーネントを独自の回転マウントにマウントします。</li>
	<li>加工したメタサーフェスを穴のあるプレートに取り付け、矩形光学用のXY変換マウントにプレートを取り付けます。サンプル内のパターンに光が向くように、XY 変換マウントを調整します。</li>
	<li>メタサーフェスの後にレンズを配置します。焦点距離に配置するレンズの位置を調整します。レンズの後に CCD を配置して、ホログラム画像をキャプチャします。</li>
</ol>4. 多重化メタホログラムの光学的特徴付け
<ol><li>2つのビームスプリッター、2つのミラー、レンズ、CCDを準備します。 注: この設定は、コンポーネントを追加することで、スピン多重化メタホログラムの設定から構築できます。</li>
	<li>4 分の 1 の波プレートと XY 変換マウントの間にビーム スプリッタを配置して、ビームを 2 方向に分割します。XY 変換マウントとレンズの間に別のビームスプリッタを配置します。 注: 1 つのビーム パスは、以前のスピン多重化メタホログラム設定と同じです。ここでは、別の分割ビームが、前の設定とは反対方向にサンプルを照らすように位置合わせされます。</li>
	<li>2 つのミラーを配置して、ビームがそれぞれ 90° で 2 回曲がって方向を交互に形成し、2 番目のビーム スプリッターに向けられる梁を調整します。光が光を細かく揃えて、ビームがサンプルを正しく照射するように反対方向に照射します。</li>
	<li>最初のビームスプリッターの右側に 90° の別のレンズを配置し、CCD を配置して、反対方向からホログラム画像をキャプチャします。</li>
</ol>

<ol><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>Valentine, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+optical+metamaterials+with+a+negative+refractive+index%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index.</a> Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).</li>
<li>Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermally+robust+ring-shaped+chromium+perfect+absorber+of+visible+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nanophotonics%22%5BJournal%5D)">Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light.</a> Nanophotonics. 7 (11), 1827-1833 (2018).</li>
<li>Jang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kerker-conditioned+dynamic+cryptographic+nanoprints%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Optical+Materials%22%5BJournal%5D)">Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints.</a> Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070(2019).</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>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>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Full-space+cloud+of+random+points+with+a+scrambling+metasurface%5BTitle%5D)+AND+%22Light%3A+Science+and+Applications%22%5BJournal%5D)">Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface.</a> Light: Science and Applications. 7 (1), 63(2018).</li>
<li>Mahmood, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polarization+insensitive+multifunctional+metasurfaces+based+on+all-dielectric+nanowaveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides.</a> Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).</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>Chen, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GaN+metalens+for+pixel-level+full-color+routing+at+visible+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light.</a> Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectric+meta-hologram+enabled+with+dual+magnetic+resonances+in+visible+light%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light.</a> ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).</li>
<li>Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metasurface+polarization+optics%3A+Independent+phase+control+of+arbitrary+orthogonal+states+of+polarization%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization.</a> Physical Review Letters. 118 (11), 113901(2017).</li>
<li>Ansari, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+spin-encoded+all-dielectric+metahologram+for+visible+light%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+%26+Photonics+Reviews%22%5BJournal%5D)">A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light.</a> Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065(2019).</li>
<li>Ren, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metasurface+orbital+angular+momentum+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Metasurface orbital angular momentum holography.</a> Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).</li>
<li>Kamali, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Angle-multiplexed+metasurfaces%3A+Encoding+independent+wavefronts+in+a+single+metasurface+under+different+illumination+angles%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+X%22%5BJournal%5D)">Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles.</a> Physical Review X. 7 (4), 041056(2017).</li>
<li>Ansari, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+spin+and+antiferromagnetic+resonances+to+realize+efficient+direction-multiplexed+visible+meta-hologram%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Horizons%22%5BJournal%5D)">Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram.</a> Nanoscale Horizons. 5 (1), 57-64 (2020).</li>
<li>Yoon, G., Lee, D., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+equal-intensity+beam+generation+by+dielectric+metasurfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces.</a> Journal of Visualized Experiments. (148), e59066(2019).</li>
<li>Kim, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Outfitting+next+generation+displays+with+optical+metasurfaces%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Outfitting next generation displays with optical metasurfaces.</a> ACS Photonics. 5 (10), 3876(2018).</li>
<li>Kim, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facile+nanocasting+of+dielectric+metasurfaces+with+sub-100nm+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+and+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).</li>
<li>Yoon, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wavelength-decoupled+geometric+metasurfaces+by+arbitrary+dispersion+control%5BTitle%5D)+AND+%22Communications+Physics%22%5BJournal%5D)">Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control.</a> Communications Physics. 2, 129(2019).</li>
</ol>

a-Si:Hのメタサーフェスは、PECVDを用いたa-Si:H薄膜堆積、精密EBL、ドライエッチングの3つの主要なステップで製造されました。これらのステップの中で、EBLの書き込みプロセスが最も重要です。まず、メタサーフェスのパターン密度が非常に高いため、電子線量(エネルギー)や単位面積あたりのドット数などの走査パラメータを正確に制御する必要があります。開発条件も慎重に選択する必要があります。パターンの密度は非常に高いので、開発プロセスが瞬時に行われると、ナノロッド状のパターンはうまく定義されず、互いに接続されます。この問題を回避し、フォトレジストの適切な負のスロップを提供するために、容易なリフトオフを可能にし、2−4°Cで開発プロセスを行うコールド開発技術を用いた。 さらに、開発液中の分子量と溶解度が異なる2種類のレジストが使用される、容易なリフトオフプロセスに二層レジスト法を用いることができる。さらに、エッチングプロセス中の側壁プロファイルは、エッチングプロセスを調整することによって、できるだけ90°に近づけるべきです。
加工されたメタサーフェスのSEMと光学的特性は厳密に行わ...

サブ波長ナノ構造からなる光学的なメタサーフェスは、光学的クローキング1、負の屈折2、完全光吸収3、色調フィルタリング4、ホログラフィック画像投影5、およびビーム操作6,6、7、8,など、多くの興味深い光学現象を可能にしている。適切に設計された散乱体を持つ光学的なメタサーフェスは、光のスペクトル、波面および偏光を調節することができる。初期の光学メタサーフェスは、主に高い反射率とナノ加工の容易さのために貴金属(例えばAu,Ag)を使用して製造されましたが、オーミック損失が高いため、微小な可視波長での効率が低くなります。
可視光の損失が少ない誘電体材料のナノファブリケーション技術の開発(例えば、TiO29、GaN10、a-Si:H11)により、光学メタサーフェスを備えた高効率平坦光学デバイスの実現が可能になりました。10これらのデバイスは、光学およびエンジニアリングのアプリケーションを持っています。興味深いアプリケーションの 1 つは、射影容積表示と情報暗号化のための光学ホログラフィです。空間光変調器を使用する従来のホログラムと比較して、メタホログラムは、光学セットアップの小型化、ホログラフィック画像の高解像度、視認性の大きい視野など、多くの利点を有する。
近年、単層メタホログラム装置における複数のホログラフィック情報の符号化が実現されている。例としては、スピン12、13、13軌道12角運動量14、入射光角15、および方向16で多重化されたメタホログラムが含まれる。これらの取り組みは、単一のデバイスにおける設計の自由度の欠如であるメタホログラムの重大な欠点を克服しました。ほとんどの従来のメタホログラムは、単一のエンコードされたホログラフィック画像しか生成できませんでしたが、多重化されたデバイスはリアルタイムで複数のホログラフィック画像をエンコードすることができます。したがって、多重化されたメタホログラムは、実際のホログラフィックビデオディスプレイまたは多機能偽造防止ホログラムに向けた重要なソリューションプラットフォームです。
ここで報告されているのは、スピンおよび方向多重化全誘電体可視メタホログラムを製造し、それらを13,16,16に光学的に特徴付けるプロトコルである。1 つのメタサーフェス デバイスで複数の視覚情報をエンコードするために、メタホログラムは、入射光のスピンまたは方向が変更されたときに 2 つの異なるホログラフィック 画像を示すように設計されています。CMOS技術に匹敵する方法で高効率ホログラフィック画像を作製するために、a-Si:Hをメタサーフェスに使用し、その中に誘導される二重磁気共鳴と反強磁性共鳴が利用されます。作製プロトコルは、フィルム堆積、電子ビーム書き込み、およびエッチングから構成されています。製造された装置はレーザー、線形偏光子、四分の一の波板、レンズおよび電荷結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けられる。

<table><tbody><tr><td>アセトン</td><td>J.T.ベイカー</td><td>925402</td><td></td></tr><tr><td>ビームスプリッター</td><td>Thorlabs</td><td>CCM1-BS013/M</td><td></td></tr><tr><td>クロムエッチング液</td><td>KMG</td><td>Cr-7</td><td></td></tr><tr><td>クロム蒸発源</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCR35D</td><td></td></tr><tr><td>クランプ</td><td>Thorlabs</td><td>CP175</td><td></td></tr><tr><td>導電性高分子</td><td>昭和電工</td><td>E-スペーサー</td><td></td></tr><tr><td>ダイオードレーザー</td><td>Thorlabs</td><td>CPS635</td><td></td></tr><tr><td>電子ビーム蒸着システム</td><td>韓国 真空テック</td><td>KVE-E4000</td><td></td></tr><tr><td>電子ビームレジスト</td><td>Microchem</td><td>495 PMMA A2</td><td></td></tr><tr><td>電子ビームリソグラフィー</td><td>Elionix</td><td>ELS-7800</td><td></td></tr><tr><td>半波長板</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング</td><td>DMS</td><td>アイ</td><td></td></tr><tr><td>リス</td><td>Thorlabs</td><td>SM1D12</td><td></td></tr><tr><td>イソプロピルアルコール</td><td>J.T.ベイカー</td><td>909502</td><td></td></tr><tr><td>キネマティックミラーマウント</td><td>Thorlabs</td><td>KM100/M</td><td></td></tr><tr><td>レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>LB1630</td><td></td></tr><tr><td>レンズマウント</td><td>Thorlabs</td><td>LMR2/M</td><td></td></tr><tr><td>直線偏光板</td><td>Thorlabs</td><td>GTH5-A</td><td></td></tr><tr><td>ミラー</td><td>ソーラブ</td><td>ス PF10-03-G01</td><td></td></tr><tr><td>減光フィルター</td><td>ソーラブ</td>ス <td>NDC-50C-4</td><td></td></tr><tr><td>プラズマ強化化学蒸着</td><td>BMR技術</td><td>HiDep-SC</td><td></td></tr><tr><td>ポスト</td>ソー<td>ラブ</td><td>ス TR75/M</td><td></td></tr><tr><td>ポストホルダー</td><td>ソーラブ</td><td>ス PH75E/M</td><td></td></tr><tr><td>四分の一波長板</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP10M-580</td><td></td></tr><tr><td>レジスト現像装置</td><td>Microchem</td><td>MIBK:IPA=1:3</td><td></td></tr><tr><td>回転マウント</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>走査型電子顕微鏡</td><td>Hitachi</td><td>Regulus8100</td><td></td></tr><tr><td>XY並進マウント</td><td>Thorlabs</td><td>XYF1/M</td><td></td></tr><tr><td>1インチアダプター</td><td>Thorlabs</td><td>AD11F</td><td></td></tr><tr><td>1-インチレンズ ハンガー</td><td>Thorlabs</td><td>CP02/M</td><td></td></tr></tbody></table>

スピン多重化および方向多重化全誘電体可視メタホログラムの実証

Demonstration of Spin-Multiplexed and Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metaholograms

メタサーフェスによって実現される光学ホログラフィ技術は、超薄型でほぼ平坦な光学デバイスの形で射影容積表示および情報暗号化表示への新しいアプローチとして浮上している。空間光変調器を用いた従来のホログラフィック技術と比較して、メタホログラムは、光学的なセットアップの小型化、高い画像解像度、ホログラフィック画像の視認性の大きい分野など、多くの利点を有する。ここでは、入射光のスピンと方向に敏感な光学メタホログラムの作製および光学的特徴付けのためのプロトコルが報告される。メタサーフェスは水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)で構成されており、可視範囲全体で大きな屈折率と小さな絶滅係数を持ち、透過率と回折効率が高くなります。デバイスは、入射光のスピンまたは方向が切り替えられると、異なるホログラフィック画像を生成します。したがって、複数の種類の視覚情報を同時にエンコードできます。作製プロトコルは、フィルム堆積、電子ビーム書き込み、その後のエッチングから構成されています。製造された装置はレーザー、線形偏光子、四分の一の波板、レンズおよび電荷結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けることができる。

a-Si:H メタサーフェスは、高いクロス偏光効率を可能にし、CMOSと互換性のある方法(図1)を使用して製造することができます。この特性は、スケーラブルな製造と近い将来の商品化を可能にする可能性があります。SEM 画像は、製造された A-Si:H メタサーフェスを示しています (図 2)。さらに、a-Si:HはTiO2やGaNよりも大きな2 屈折率を有するため、4.7程度の低アスペクト比ナノ構造でも、高い回折効率を持つA-SiHメタホログラムを実現できる。633 nm波長で算出した効率は74%、測定効率は61%であった。
スピン多重化メタホログラムは、入射した円偏光の手渡しを単に反転させることで、投影されたホログラフィック画像を切り替えることができます(図3a)。このようなスピン多重化メタホログラムを設計するために、2種類のメタサーフェスが使用されました。光が左または右に円偏光され...

スピンおよび方向多重化可視メタホログラムの作製プロトコルを提示し、光学実験を行ってその機能を検証する。これらのメタホログラムは、エンコードされた情報を簡単に視覚化できるため、射出容積表示や情報暗号化に使用できます。

The optical holography technique realized by metasurfaces has emerged as a novel approach to projective volumetric display and information encryption ...

複数のホログラフィック画像を生成することができる多機能メタ表面ホログラムは、現実の生活の超コンパクトホログラフィックディスプレイアプリケーションのための主要な平らな光学装置です。マルチプレックスメタルホログラムを生成するには、光の速度と伝搬トラクションに応じて、2つの異なるホログラフィック画像をレンダリングできる簡単なアプローチを使用します。多重金属ホログラムの設定を理解するために、製造プロセスと光学特性の両方の機能デモンストレーション、および測定ステップも同様に重要です。キム・インキとの手順を実演するのが、私の研究室の博士課程の学生、ダソル・リーです。走査型電子顕微鏡法によるパターン堆積を特徴付けるには、導電性ポリマーを基板にドロップし、1分間に2000回転/分でスピンコードを行います。基板をカーボンテープでサンプルホルダーに固定し、エアボタンを押してロードロックチャンバーを通します。ホルダーをロードロック室の保持ロッドに置き、EVACを押してロードロック室を退避します。ステージの高さと傾斜角度を設定するには、Z センサーを 8 ミリメートルに、T センサーをゼロ度に設定します。OPENボタンを押してロードロック室のドアを開け、保持ロッドを押してホールダーをメイン走査型電子顕微鏡室に移します。ロッドを引き出し、CLOSEボタンを押します。真空状態を確認し、実行を押して炭素を除去するか、瞬時に高電圧で電子銃のほこりを除去します。顕微鏡ソフトウェアで点滅して、加速電圧が5キロボルトの電子銃をオンにし、ビームアライメントをクリックしてビームの位置合わせを調整し、電子ビームを中央の位置に正確に配置します。ステージコントローラを使用して中心にビームを配置し、絞りアライメントをクリックして絞りを調整し、スティグマアライメントを使用して円形の電子ビームを作成します。スティグマコントローラを使用して、同じ場所をスキャンするだけで安定したビームを作成し、適切な焦点とスティグマ調整で走査電子画像をキャプチャします。すべての画像が取得されたら、[OFF]をクリックして電子ビームをオフにし、[Home]をクリックしてステージを元の位置に戻します。ステージが位置したら、メインチャンバーのドアを開け、ロッドを押してサンプルホルダーを拾います。エアボタンを押してロードロック室を通気し、ホルダーをアンロードします。光学特性を考慮して、スピン多重化された金属ホログラムを使用して、1インチの光学マウントに差し込むことができるアダプタにダイオードレーザーモジュールを取り付け、ポストとポストホルダーを使用してダイオードレーザーの高さを調整します。クランプを使用して位置を固定し、1 インチの回転マウントを使用してハーフウェーブ プレートを組み立てます。レーザーモジュールの前面にプレートを置いて直線偏光を回転させ、2つのミラーを個々の1インチの運動台に取り付けます。初期ビームの方向を揃えるには、レーザーの前に位置合わせディスクを配置し、レーザーの高さを設定します。2 つのミラーを調整して、梁が 90 度で 2 回交互方向に曲がるようにし、2 番目のミラーの近くに位置合わせディスクを配置します。ノブを回して中心のライトを合わせて最初のミラーの角度を調整し、2番目のミラーから遠く離れた位置合わせディスクを動かします。次に、ノブを回転させて中心のライトを合わせて、2番目のミラーの角度を調整します。ライトが両方の場所でアライメント ディスクの中心を通過するまでアライメントを繰り返し、ミラーの後ろにニュートラル密度フィルタを配置して、光の強度をコントロールします。中性密度フィルターの後ろに虹彩を置き、入射光の直径を制御します。直線偏光板を取り付け、かつ自主回転台に4分の1の波板を取り付け、直線偏光子を置き、虹彩の後ろに4分の1の波板を置いて円偏光を作ります。加工した金属表面を穴のあるプレートに取り付けます。矩形光学用の XY 変換マウントにプレートを取り付け、サンプル内のパターンに光が向くように XY 変換マウントを調整します。レンズを金属表面の後に配置し、焦点距離に配置するレンズの位置を調整します。次に、レンズの後に充電結合デバイスカメラを配置し、ホログラム画像をキャプチャします。光学的特性評価のために、方向多重化されたメタホログラムを使用する。4 分の 1 の波板の間にビーム スプリッタを配置し、XY 変換マウントを配置してビームを 2 方向に分割します。次に、XY 変換マウントとレンズの間に別のビームスプリッタを配置します。ビームが 90 度と交互方向で 2 回曲がるように 2 つのミラーを配置し、2 番目のビーム スプリッターに向ける梁を調整します。最後に、光を合わせて、光がサンプルを正しく放射するように、正しい方向にサンプルを放射し、最初のビームスプリッターの右側に 90 度の別のレンズを配置します。次に、電荷結合デバイスカメラを配置して、反対方向からホログラム画像をキャプチャします。明確なスピンを生成する最善の方法、および 2 つのホログラフィック 画像を配置する方向は、複数の光学部品を正確に配置することです。この走査電子顕微鏡画像では、水素化水素化非晶質シリコン金属表面を作製し、観察することができる。スピン多重化された金属ホログラムは、入射した円偏光の手渡しを単に反転させることで、投影されたホログラフィック画像を切り替えることができます。異なる金属表面は、光が左または右に円偏光されているかどうかに応じて、異なる応答を生成することができます。その結果、入力ビーム偏光状態に応じて、情報技術大学、およびRho研究室ホログラフィック画像を高忠実度でリアルタイムに切り替えることができる。方向マルチプレックスメタホログラムは、入射光方向を変更することで、投影されたホログラフィック画像を切り替えることができます。例えば、光が基板側から前方方向に来る場合、ホログラフィックのローラボ画像を観察することができる。光がメタ表面側から後方方向に来る場合、ホログラフィック情報技術大学の画像を可視化することができます。予測画像の鮮明さは偏光、およびインスタント光の方向に非常に敏感であるため、コンポーネントの位置合わせは明確なホログラフィック画像を生成するために特に重要です。この多重化された金属ホログラムと活性材料プラットフォームを組み合わせたアクティブメタルホログラムを開発し、外部刺激によってプロジェクト、ホログラム画像を簡単に変更する予定です。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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移動ホログラムディスプレイで使用するための超現実的なフルカラーアナログホログラムの記録

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広帯域刺激ラマン散乱顕微鏡に基づく多重化学イメージング

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走査型電子顕微鏡互換光学イメージング法によるメソスコーピック全細胞脳マッピング

学ぶ スピン・方向多重化全誘電体可視メタホログラムの作製と光学実験による機能検証。走査型電子顕微鏡と光学測定を用いた手法で、投影型立体ディスプレイや情報暗号化への応用可能性を示す。

スピン多重化および方向多重化全誘電体可視メタホログラムの実証

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