Method Article

Demonstracja wszystkich dielektrycznych widzialnych metahologramów z multipleksem spinowym i kierunkowym

DOI:

10.3791/61334

⸱

September 25th, 2020

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

In This Article

Summary

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

Przedstawiamy protokół wytwarzania metahologramów widzialnych z multipleksami spinowymi i kierunkowymi, a następnie przeprowadzamy eksperyment optyczny w celu sprawdzenia ich funkcji. Te metahologramy mogą łatwo wizualizować zakodowane informacje, dzięki czemu mogą być używane do projekcji wolumetrycznej i szyfrowania informacji.

Abstract

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

Technika holografii optycznej realizowana przez metapowierzchnie pojawiła się jako nowatorskie podejście do projekcji wolumetrycznej i szyfrowania informacji w postaci ultracienkich i prawie płaskich urządzeń optycznych. W porównaniu z konwencjonalną techniką holograficzną z przestrzennymi modulatorami światła, metahologram ma wiele zalet, takich jak miniaturyzacja układu optycznego, wyższa rozdzielczość obrazu i większe pole widoczności obrazów holograficznych. W tym miejscu przedstawiono protokół wytwarzania i charakterystyki optycznej metahologramów optycznych, które są wrażliwe na spin i kierunek padającego światła. Metapowierzchnie zbudowane są z uwodornionego krzemu amorficznego (a-Si:H), który ma duży współczynnik załamania światła i mały współczynnik ekstynkcji w całym zakresie widzialnym, co skutkuje wysoką wydajnością przepuszczalności i dyfrakcji. Urządzenie wytwarza różne obrazy holograficzne po przełączeniu obrotu lub kierunku padającego światła. Dzięki temu mogą kodować wiele rodzajów informacji wizualnych jednocześnie. Protokół produkcyjny składa się z osadzania folii, zapisu wiązką elektronów i późniejszego trawienia. Wytwarzane urządzenie można scharakteryzować za pomocą niestandardowego układu optycznego, który składa się z lasera, polaryzatora liniowego, płytki ćwierćfalowej, soczewki i urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD).

Introduction

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

Metapowierzchnie optyczne złożone z nanostruktur o poddługości fali umożliwiły wiele interesujących zjawisk optycznych, w tym maskowanie optyczne1, ujemne załamanie2, doskonała absorpcja światła3, filtrowanie kolorów4, holograficzna projekcja obrazu5, oraz manipulacja wiązką6,7, 8. Metapowierzchnie optyczne, które mają odpowiednio zaprojektowane rozpraszacze, mogą modulować widmo, czoło fali i polaryzację światła. Wczesne metapowierzchnie optyczne były wytwarzane głównie przy użyciu metali szlachetnych (np. Au, Ag) ze względu na ich wysoki współczynnik odbicia i łatwość nanowytwarzania, ale mają wysokie straty omowe, więc metapowierzchnie mają niską wydajność przy krótkich falach widzialnych.

Rozwój technik nanowytwarzania materiałów dielektrycznych, które mają niskie straty w świetle widzialnym (np. TiO29, GaN10, oraz a-Si:H11) umożliwiły realizację wysoce wydajnych płaskich urządzeń optycznych z optycznymi metapowierzchniami. Urządzenia te mają zastosowanie w optyce i inżynierii. Jednym z intrygujących zastosowań jest holografia optyczna do projekcji wolumetrycznej i szyfrowania informacji. W porównaniu z konwencjonalnymi hologramami, które wykorzystują przestrzenne modulatory światła, metahologram ma wiele zalet, takich jak miniaturyzacja układu optycznego, wyższa rozdzielczość obrazów holograficznych i większe pole widoczności.

Ostatnio udało się zakodować wiele informacji holograficznych w jednowarstwowym urządzeniu metahologramowym. Przykładami są metahologramy, które są multipleksowane w spin12,13, orbital angular momentum14, padające światło angle15 i direction16. Wysiłki te pozwoliły przezwyciężyć krytyczną wadę metahologramów, jaką jest brak swobody projektowania w jednym urządzeniu. Większość konwencjonalnych metahologramów może wytwarzać tylko pojedyncze zakodowane obrazy holograficzne, ale urządzenie multipleksowane może kodować wiele obrazów holograficznych w czasie rzeczywistym. W związku z tym multipleksowany metahologram jest kluczową platformą rozwiązań w kierunku prawdziwego holograficznego wyświetlacza wideo lub wielofunkcyjnych hologramów zapobiegających fałszerstwom.

Opisano tutaj protokoły do wytwarzania multipleksowanych w pełni dielektrycznych metahologramów z multipleksem spinowym i kierunkowym, a następnie do ich optycznego charakteryzowania13,16. Aby zakodować wiele informacji wizualnych w jednym urządzeniu metasurface, projektuje się metahologramy, które pokazują dwa różne obrazy holograficzne po zmianie obrotu lub kierunku padającego światła. Aby wytworzyć wysoce wydajne obrazy holograficzne w sposób porównywalny z technologią CMOS, a-Si:H jest używany do metapowierzchni i wykorzystuje się podwójne rezonanse magnetyczne i rezonanse antyferromagnetyczne indukowane w ich wnętrzu. Protokół produkcyjny składa się z osadzania folii, zapisu wiązką elektronów i trawienia. Wytwarzane urządzenie charakteryzuje się niestandardowym układem optycznym składającym się z lasera, polaryzatora liniowego, płytki ćwierćfalowej, soczewki i urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Produkcja urządzeń

UWAGA: Rysunek 1 pokazuje proces wytwarzania metapowierzchni a-Si:H17.

  1. Przygotuj kawałek stopionej płytki krzemionkowej (rozmiar = 2 cm x 2 cm, grubość = 500 μm) jako podłoże. Spłucz podłoże acetonem i alkoholem izopropylowym (IPA), a następnie wdmuchnij gazowy azot na podłoże, aby je wysuszyć.
  2. Osadzać na podłożu warstwę a-Si:H o grubości 380 nm za pomocą plazmowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (PECVD) z następującymi ustawieniami: temperatura w komorze = 300 °C; moc częstotliwości radiowej = 800 W; natężenie przepływu gazu = 10 sccm dla SiH4 i 75 sccm dla H2; ciśnienie procesowe = 25 mTorr; czas = 30 s.
  3. Pokryj powłoką wirową fotorezystor litograficzny wiązką elektroniczną. Upuścić polimetakrylan metylu (PMMA) A2 na podłoże i powlekać wirowo z prędkością obrotową 2 000 obr./min przez 1 min.
  4. Piecz podłoże pokryte rezystancją na płycie grzejnej w temperaturze 180 °C przez 5 minut.
  5. Powłóż przewodzącą warstwę polimeru, aby zapobiec gromadzeniu się ładunku podczas procesu zapisu wiązki elektronicznej. Upuść przewodzący polimer (np. Espacer) na podłoże i powlekaj z prędkością obrotową 2 000 obr./min przez 1 min.
  6. Uruchom litografię wiązką elektroniczną o napięciu przyspieszenia 80 kV i prądzie 50 pA.
  7. Zanurz próbkę w wodzie dejonizowanej (DI) na 2 minuty, aby usunąć przewodzącą warstwę polimeru. Zanurzyć próbkę w roztworze ketonu metylowo-izobutylowego (MIBK) w stosunku 1:3 otoczonym mrożonym kubkiem na 12 minut, aby uzyskać odsłonięty wzór. Następnie płucz próbkę alkoholem izopropylowym przez 30 s.
  8. Osadzanie warstwy chromu (Cr) o grubości 30 nm za pomocą parownika wiązki elektromagnetycznej.
  9. Zanurz próbkę w acetonie, aby usunąć nienaświetloną warstwę fotorezystu i przenieść wzór Cr na podłoże. Sonikować przez 1 minutę przy 40 kHz, a następnie płukać alkoholem izopropylowym przez 30 sekund.
  10. Wytrawić odkrytą warstwę a-Si:H, aby przenieść wzór Cr do warstwy a-Si:H za pomocą suchego wytrawiacza o mocy źródła 500 W, polaryzacji 100 V, natężeniu przepływu gazu 80 sccm dla Cl2 i 120 sccm dla HBr.
  11. Zanurzyć próbkę w roztworze wytrawiacza Cr etch, aby usunąć maskę Cr etch. Następnie przepłukać próbkę sekwencyjnie acetonem, IPA i wodą demineralizowaną odpowiednio przez 30 sekund.

2. Charakterystyka skaningowego mikroskopu elektronowego

  1. Powlekaj przewodzącą warstwę polimeru, aby zapobiec gromadzeniu się ładunku podczas procesu skanowania wiązką elektronów. Upuść przewodzący polimer na podłoże i powlekaj z prędkością obrotową 2 000 obr./min przez 1 minutę.
  2. Przymocuj podłoże do uchwytu próbki za pomocą taśmy węglowej. Odpowietrzyć komorę blokady załadunku, naciskając przycisk AIR.
  3. Umieścić uchwyt na pręcie mocującym komory załadunku. Opróżnij komorę blokady załadunku, naciskając przycisk EVAC.
  4. Ustaw wysokość stolika i kąt pochylenia, ustawiając czujnik Z na 8 mm, a czujnik T na 0°.
  5. Otwórz drzwi komory zamka załadunku, naciskając przycisk OPEN. Naciśnij pręt mocujący, aby przenieść uchwyt do głównej komory skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Wyciągnij pręt i naciśnij przycisk ZAMKNIJ.
  6. Sprawdź stan próżni przed włączeniem pistoletu elektronowego. Wykonaj funkcję, naciskając przycisk FLASHING, aby usunąć węgiel lub kurz z pistoletu elektronowego za pomocą natychmiastowego wysokiego napięcia.
  7. Włącz działo elektronowe o napięciu przyspieszającym 5 kV, klikając przycisk ON w oprogramowaniu SEM.
  8. Dostosuj wyrównanie wiązki, aby precyzyjnie zlokalizować wiązkę elektronów w pozycji środkowej, klikając panel WYRÓWNANIE WIĄZKI w oprogramowaniu. Za pomocą kontrolera stolika zlokalizuj belkę pośrodku.
  9. Dostosuj wyrównanie przysłony i wyrównanie stygmatów, aby utworzyć okrągłą wiązkę elektronów, klikając panel WYRÓWNANIE PRZYSŁONY w oprogramowaniu. Korzystając z kontrolera stygmatyzacji, utwórz stabilną wiązkę, aby zeskanować w tym samym miejscu.
  10. Rejestruj obrazy SEM z odpowiednią ostrością i regulacją stygmatora.
  11. Wyłącz wiązkę elektronów, klikając przycisk OFF w oprogramowaniu. Kliknij przycisk HOME, aby przywrócić stolik do jego pierwotnego położenia.
  12. Otwórz drzwi komory głównej i popchnij pręt, aby podnieść uchwyt na próbkę. Odpowietrzyć komorę blokady załadunku, naciskając przycisk AIR, a następnie rozładować uchwyt.
  13. Przepłukać próbkę wodą demineralizowaną, aby usunąć przewodzącą warstwę polimeru.

3. Charakterystyka optyczna metahologramu z multipleksem spinowym

  1. Przygotuj elementy optyczne wymienione w Tabeli Materiałów.
  2. Podłącz moduł lasera diodowego do adaptera, który można podłączyć do 1-calowego uchwytu optycznego. Wyreguluj wysokość lasera diodowego za pomocą słupka i uchwytu na słupek, a następnie ustal pozycję za pomocą zacisku.
    UWAGA: Każdy element optyczny powinien być zamontowany za pomocą słupka i uchwytu słupka, a następnie zamocowany na miejscu za pomocą zacisku.
  3. Zamontuj płytkę półfalową za pomocą 1-calowego uchwytu obrotowego, a następnie umieść płytkę przed modułem laserowym, aby obrócić światło spolaryzowane liniowo.
  4. Przygotuj dwa lustra, montując je na 1-calowych mocowaniach kinematycznych i jednej tarczy wyrównującej, aby wyrównać kierunek początkowej wiązki.
    1. Umieść tarczę wyrównującą przed laserem i ustaw wysokość. Umieść dwa lustra tak, aby wiązka zaginała się dwukrotnie pod kątem 90° każde, aby były naprzemienne.
    2. Umieść tarczę wyrównującą w pobliżu drugiego lustra i wyreguluj kąt pierwszego lustra za pomocą pokręteł, aby wyrównać światło pośrodku.
    3. Umieść tarczę wyrównującą z dala od drugiego lustra i wyreguluj kąt drugiego lustra, obracając pokrętła, aby wyrównać światło pośrodku.
    4. Powtarzaj kroki 3.4.2 i 3.4.3, aż światło przejdzie przez środek tarczy wyrównującej w obu miejscach.
  5. Umieść filtr o neutralnej gęstości za lustrem, aby kontrolować natężenie światła. Umieść tęczówkę za filtrem o neutralnej gęstości, aby kontrolować średnicę padającego światła.
  6. Aby uzyskać światło spolaryzowane kołowo, umieść polaryzator liniowy i płytkę ćwierćfalową w kolejności za tęczówką. Zamontuj każdy komponent na osobnym uchwycie obrotowym.
  7. Przymocuj wyprodukowaną metapowierzchnię do płytki z otworem i zamontuj płytkę na montażu translacyjnym XY dla prostokątnej optyki. Wyreguluj mocowanie translacji XY tak, aby światło było kierowane na wzór w próbce.
  8. Umieść soczewkę za metapowierzchnią. Dostosuj położenie obiektywu, który ma być umieszczony na ogniskowej. Umieść matrycę CCD za obiektywem, aby przechwycić obraz hologramu.

4. Charakterystyka optyczna metahologramu z multipleksem kierunkowym

  1. Przygotuj dwa rozdzielacze wiązki, dwa lustra, soczewkę i CCD.
    UWAGA: Ten zestaw można zbudować z konfiguracji metahologramu z multipleksem spinowym, dodając dodatkowe komponenty.
  2. Umieść rozdzielacz wiązki między płytą ćwierćfalową a mocowaniem translacyjnym XY, aby podzielić wiązkę na dwa kierunki. Umieść kolejny rozdzielacz wiązki między mocowaniem translacyjnym XY a obiektywem.
    UWAGA: Jedna ścieżka wiązki jest taka sama, jak w poprzedniej konfiguracji metahologramu z multipleksem spinowym. W tym przypadku kolejna podzielona wiązka zostanie wyrównana, aby oświetlić próbkę w kierunku przeciwnym do poprzedniej konfiguracji.
  3. Umieść dwa lustra tak, aby wiązka zakrzywiała się dwukrotnie pod kątem 90° każde, tworząc naprzemienne kierunki i dostosuj wiązkę, która ma być skierowana do drugiego rozdzielacza wiązki. Dokładnie wyrównaj światło, tak aby wiązka prawidłowo naświetlała próbkę w przeciwnym kierunku.
  4. Umieść kolejną soczewkę pod kątem 90° po prawej stronie pierwszego rozdzielacza wiązki i umieść matrycę CCD, aby przechwycić obraz hologramowy z przeciwnego kierunku.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Metapowierzchnie a-Si:H umożliwiają wysoką wydajność polaryzacji krzyżowej i mogą być wytwarzane przy użyciu metody (Rysunek 1), która jest kompatybilna z CMOS; ta cecha może umożliwić skalowalną produkcję i komercjalizację w niedalekiej przyszłości. Obraz SEM przedstawia sfabrykowane metapowierzchnie a-Si:H (Rysunek 2). Co więcej, a-Si:H ma większy współczynnik załamania światła niż TiO2 i GaN, więc nawet przy nanostrukturze o niskim współczynniku kształtu wynoszącej ok...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Metapowierzchnie a-Si:H zostały wytworzone w trzech głównych etapach: osadzanie cienkowarstwowe a-Si:H przy użyciu PECVD, precyzyjny EBL i trawienie na sucho. Wśród tych kroków najważniejszy jest proces pisania EBL. Po pierwsze, gęstość wzoru na metapowierzchniach jest dość wysoka, więc proces wymaga precyzyjnej kontroli dawki elektronów (energii) i parametrów skanowania, takich jak liczba punktów na jednostkę powierzchni. Warunki rozwoju również powinny być starannie dobrane. Gęstość wzoru jest bardzo wysoka, więc gdy p...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Acknowledgements

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

Ta praca była finansowana przez granty National Research Foundation (NRF) (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) finansowane przez Ministerstwo Nauki i ICT rządu koreańskiego. I.K. dziękuje za stypendium NRF Global Ph.D. Fellowship (NRF-2016H1A2A1906519) ufundowane przez Ministerstwo Edukacji rządu koreańskiego.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AcetonJ.T. Baker925402
Rozdzielacz wiązkiThorlabsCCM1-BS013/M
Wytrawiacz chromuKMGCr-7
Źródło parowania chromuKurt J. LeskerEVMCR35D
ZaciskThorlabsCP175
Polimer przewodzącyShowa denkoE-dystans
Laser diodowyThorlabsCPS635
System odparowywania wiązki elektronówKorea Vacuum TechKVE-E4000
Odporność na wiązkę elektronówMicrochem495 PMMA A2
Litografia wiązką elektronówElionixELS-7800
Płyta półfalowaThorlabsAHWP05M-600
Plazma sprzężona indukcyjnie reaktywna trawienie jonoweDMS-Iris
ThorlabsSM1D12
Alkohol izopropylowyJ.T. Baker909502
Kinematic lustrzane mocowanieThorlabsKM100/M
ObiektywThorlabsLB1630
Mocowanie obiektywuThorlabsLMR2/M
Polaryzator liniowyThorlabsGTH5-A
LustroThorlabsPF10-03-G01
Filtr o neutralnej gęstościThorlabsNDC-50C-4
Plazmowe chemiczne osadzanie z fazy gazowejTechnologiaBMR HiDep-SC
PostThorlabsTR75/M Uchwyt
na słupkiThorlabsPH75E/M
PłytaćwierćfalowaThorlabsAQWP10M-580
Resist developerMicrochemMIBK:IPA=1:3
Montaż rotacyjnyThorlabsRSP1/M
Skaningowa mikroskopia elektronowaHitachiRegulus8100
XY montaż translacyjnyThorlabsXYF1/M
1-calowy adapterThorlabsAD11F
1- calowe mocowanie obiektywuThorlabsCP02/M

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).
  2. Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
  3. Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light. Nanophotonics. 7 (11), 1827-1833 (2018).
  4. Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070(2019).
  5. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
  6. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  7. Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63(2018).
  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
  9. Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).
  10. Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
  11. Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
  12. Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Physical Review Letters. 118 (11), 113901(2017).
  13. Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065(2019).
  14. Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
  15. Kamali, S. M., et al. Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles. Physical Review X. 7 (4), 041056(2017).
  16. Ansari, M. A., et al. Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons. 5 (1), 57-64 (2020).
  17. Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066(2019).
  18. Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876(2018).
  19. Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129(2019).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Metahologram FabricationSpin MultiplexingDirection MultiplexingAll Dielectric MetasurfacesHydrogenated Amorphous SiliconElectron Beam WritingOptical CharacterizationCharge Coupled DeviceScanning Electron MicroscopyCircularly Polarized Light

Related Articles