Методическая статья

Демонстрация спин-multiplexed и направление-Multiplexed Все-Диэлектрические видимые метахолограммы

DOI:

10.3791/61334

⸱

25 сентября 2020 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Представляем протокол по изготовлению спин- и направленно-мультиплексных видимых метахолограмм, а затем проводим оптический эксперимент для проверки их функции. Эти метахолограммы могут легко визуализировать закодированную информацию, поэтому они могут быть использованы для проектного объемного отображения и шифрования информации.

Аннотация

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

Техника оптической голографии, реализованная с помощью метаповерхностных элементов, стала новым подходом к проектно-проектной томтрической отображению и отображению шифрования информации в виде ультратонких и почти плоских оптических устройств. По сравнению с обычной голографической техникой с модуляторами пространственного света, метахолограмма имеет множество преимуществ, таких как миниатюризация оптической установки, более высокое разрешение изображения и большее поле видимости для голографических изображений. Здесь сообщается о протоколе по изготовлению и оптической характеристике оптических метахолограмм, чувствительных к спину и направлению света инцидента. Метаповерхности состоят из гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), который имеет большой рефракционный индекс и небольшой коэффициент вымирания во всем видимом диапазоне, что приводит к высокой эффективности передачи и дифракции. Устройство производит различные голографические изображения при переключеи спина или направления света инцидента. Таким образом, они могут кодировать несколько типов визуальной информации одновременно. Протокол изготовления состоит из осаждения пленки, письма электронного луча и последующего травления. Изготовленное устройство можно охарактеризовать с помощью индивидуальной оптической установки, которая состоит из лазера, линейного поляризатора, четверть волновой панели, объектива и устройства с зарядом (CCD).

Введение

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

Оптические метаповерхностные элементы, состоящие из субволновых наноструктур, позволили создать множество интересныхоптических явлений, включая оптическое маскировку 1,отрицательное преломление 2,идеальное поглощение света 3,цветную фильтрацию 4,голографическую проекцию изображения 5и манипуляциюлучом 6,,7,,8. Оптические метаповерхностные элементы, которые имеют надлежащим образом разработанные рассеяния, могут модулировать спектр, волновой фронт и поляризацию света. Ранние оптические метаповерхности были в основном изготовлены с использованием благородных металлов (например, Au, Ag) из-за их высокой отражаемости и простоты нанофабрикации, но они имеют высокие потери Ohmic, поэтому метаповерхности имеют низкую эффективность при коротких видимых длинах волн.

Разработка методов нанофабрикации диэлектрических материалов с низкими потерями видимого света (например, TiO29,GaN10и a-Si:H11) позволила реализовать высокоэффективные плоские оптические устройства с оптическими метаповерхами. Эти устройства имеют применение в оптике и инженерии. Одним из интригующих приложений является оптическая голография для проектного объемного отображения и шифрования информации. По сравнению с обычными голограммами, которые используют пространственные световые модуляторы, метахолограмма имеет множество преимуществ, таких как миниатюризация оптической установки, более высокое разрешение голографических изображений и большее поле видимости.

Недавно было достигнуто кодирование нескольких голографических данных в однослойном метахолограммном устройстве. Примеры включают метахолограммы, которые мультиплексированыв спину 12,13, орбитальный угловой импульс14,угол света инцидента 15, и направление16. Эти усилия преодолели критический недостаток метахолограмм, который является отсутствие свободы дизайна в одном устройстве. Большинство обычных метахолограмм может производить только отдельные закодированные голографические изображения, но мультиплексное устройство может кодировать несколько голографических изображений в режиме реального времени. Таким образом, мультиплексированная метахолограмма является важнейшим решением платформы для реального голографического видео-дисплея или многофункциональных антисчетных голограмм.

Сообщается здесь протоколы для изготовления спина и направления мультиплексных все-диэлектрические видимые метахолограммы, а затем оптически охарактеризоватьих 13,16. Для кодирования нескольких визуальных данных в одном метаповерхностном устройстве разработаны метахолограммы, которые показывают два разных голографических изображения при изменениях спина или направления света инцидента. Для изготовления высокоэффективных голографических изображений в манере, сопоставимой с технологией CMOS, A-Si:H используется для метаповерхности и двойного магнитного резонанса и антиферромагнитных резонансов, индуцированных внутри них используются. Протокол изготовления состоит из осаждения пленки, электронного пучка и травления. Изготовленное устройство характеризуется индивидуальной оптической установкой, состоящей из лазера, линейного поляризатора, четверти волновой пластины, объектива и устройства с зарядом (CCD).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Изготовление устройств

ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 1 показывает процесс изготовления a-Si:H метаповерхностных17.

  1. Подготовка сплавленного кремнезема пластины кусок (размер 2 см х 2 см, толщина 500 мкм) в качестве субстрата. Промыть субстрат с ацетоном и изопропиловым спиртом (IPA), а затем удар азотного газа над субстратом, чтобы высушить его.
  2. Хранение 380 нм толщиной a-Si:H пленки на субстрате с использованием плазменного расширенного химического осаждения пара (PECVD) со следующими настройками: температура камеры 300 градусов по Цельсию; радиочастотная мощность 800 Вт; скорость потока газа 10 скм для SiH4 и 75 скм для H2; давление процесса 25 mTorr; время 30 с.
  3. Спин-пальто электронной лучевой литографии фоторезист. Падение полиметилметакрилата (PMMA) A2 на субстрат и спин-пальто со скоростью вращения 2000 об /мин в течение 1 мин.
  4. Выпекать субстрат с сопротивляем на плите при температуре 180 градусов по Цельсию в течение 5 минут.
  5. Спин-пальто проводящий слой полимера, чтобы предотвратить накопление заряда во время процесса написания электронного луча. Бросьте проводящий полимер (например, Espacer) на субстрат и спин-пальто со скоростью вращения 2000 об/мин в течение 1 мин.
  6. Запуск электронной лучевой литографии с ускорением напряжения 80 кВ и током 50 рВ.
  7. Погрузите образец в деионизированную (DI) воду в течение 2 минут, чтобы удалить проводящий слой полимера. Погрузите образец в 1:3 метил изобутилкетон (MIBK): раствор IPA, окруженный ледяной чашкой в течение 12 минут, чтобы разработать открытый узор. Затем промыть образец с IPA для 30 с.
  8. Депозит 30 нм толщиной хрома (Cr) пленки с помощью электронного луча испарителя.
  9. Погрузите образец в ацетон, чтобы удалить неэкспонированный слой фоторезистаста и перенести рисунок Cr на субстрат. Sonicate в течение 1 мин при 40 кГц, затем промыть АПИ на 30 с.
  10. Etch обнаружили-Si:H слой для передачи Cr шаблон в A-Si:H слой с использованием сухой etcher с источником энергии 500 Вт, смещения 100 V, скорость потока газа 80 скм для Cl2 и 120 скм для HBr.
  11. Погрузите образец в раствор cr etchant, чтобы удалить маску Cr etch. Затем промыть образец последовательно с ацетоном, IPA и DI воды в течение 30 с, соответственно.

2. Характеристика сканирующего электронного микроскопа

  1. Спин-пальто проводящий слой полимера, чтобы предотвратить накопление заряда во время процесса сканирования электронного луча. Бросьте проводящий полимер на субстрат и спин-пальто со скоростью вращения 2000 об/мин в течение 1 мин.
  2. Зафиксировать субстрат на держатель образца с помощью углеродной ленты. Вент камеры блокировки нагрузки, нажав кнопку AIR.
  3. Положите держатель на удерживаемый стержень камеры блокировки нагрузки. Эвакуируйте камеру блокировки нагрузки, нажав кнопку EVAC.
  4. Установите высоту сцены и угол наклона, установив датчик q до 8 мм и датчик T до 0 ".
  5. Откройте дверь камеры блокировки нагрузки, нажав кнопку OPEN. Нажмите на удерживающий стержень, чтобы перенести держатель в камеру основного сканирующего электронного микроскопа (SEM). Вытащите стержень и нажмите кнопку CLOSE.
  6. Проверьте вакуумное состояние перед включением электронной пушки. Выполните функцию мигания, нажав кнопку FLASHING, чтобы удалить углерод или пыль в электронной пушке с мгновенным высоким напряжением.
  7. Включите электронную пушку с ускоряющейся напряжением 5 кВ, нажав кнопку ON в программном обеспечении SEM.
  8. Отрегулируйте выравнивание пучка, чтобы точно найти электронный луч в положении центра, нажав на панель BEAM ALIGNMENT в программном обеспечении. Используя контроллер сцены, найдите луч в центре.
  9. Отрегулируйте выравнивание диафрагмы и выравнивание стигмы, чтобы сделать круговой электронный луч, нажав на панель APERTURE ALIGNMENT в программном обеспечении. Используя контроллер стигмы, сделайте стабильный луч для сканирования на том же месте.
  10. Захват SEM изображения с соответствующим фокусом и стигматизации.
  11. Выключите электронный луч, нажав кнопку OFF в программном обеспечении. Нажмите кнопку HOME, чтобы вернуть сцену в исходное положение.
  12. Откройте дверь главной камеры и нажмите стержень, чтобы забрать образец держателя. Вент камеры блокировки нагрузки, нажав кнопку AIR, а затем выгрузить держатель.
  13. Промыть образец водой DI, чтобы удалить проводящий слой полимера.

3. Оптическая характеристика спин-мультиплексной метахолограммы

  1. Подготовка оптических компонентов, перечисленных в таблице материалов.
  2. Прикрепите диодный лазерный модуль к адаптеру, который может быть подключен к 1-дюймовому оптическому крепление. Отрегулируйте высоту диодного лазера с помощью столба и держателя столба, и зафиксируете положение с помощью зажима.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый оптический компонент должен быть установлен с помощью поста и держателя поста, а затем фиксированной в положении с помощью зажима.
  3. Соберите полуволновую пластину с помощью 1-дюймового вращательного крепления, а затем поместите пластину перед лазерным модулем, чтобы повернуть линейно поляризованный свет.
  4. Подготовьте два зеркала, смонтав их на 1-дюймовых кинематических креплениях и одной выравнивающей диске, чтобы выровнять направление первоначального луча.
    1. Поместите диск выравнивания перед лазером и установите высоту. Поместите два зеркала так, чтобы луч изгибы в два раза на 90 "каждый, чтобы быть чередующихся направлений.
    2. Поместите диск выравнивания рядом со вторым зеркалом и отрегулируйте угол первого зеркала, вращая ручки, чтобы выровнять свет в центре.
    3. Поместите диск выравнивания далеко от второго зеркала и отрегулируйте угол второго зеркала, вращая ручки, чтобы выровнять свет в центре.
    4. Повторите шаги 3.4.2 и 3.4.3 до тех пор, пока свет не пройдет через центр диска выравнивания в обоих местах.
  5. Поместите фильтр нейтральной плотности за зеркалом, чтобы контролировать интенсивность света. Поместите радужную оболочку за фильтром нейтральной плотности, чтобы контролировать диаметр света инцидента.
  6. Чтобы сделать круговой поляризованный свет, поместите линейный поляризатор и четверть волновой пластины для того, чтобы за радужной оболочкой глаза. Намонтировать каждый компонент на своем собственном вращательном крепление.
  7. Прикрепите изготовленную метаповерхностную поверхность к пластине с отверстием и смонтировать пластину на крепление перевода XY для прямоугольной оптики. Отрегулируйте крепление перевода XY так, чтобы свет направлялся к рисунку в образце.
  8. Поместите объектив после метаповерхностного слоя. Отрегулируйте положение объектива, чтобы поместить его в фокусное расстояние. Поместите CCD после объектива, чтобы захватить изображение голограммы.

4. Оптическая характеристика метахолограммы направленного мультиплекса

  1. Подготовь два пучка сплиттеров, два зеркала, объектив и CCD.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эта установка может быть построена из спин-мультиплексной установки метахолограммы путем добавления дополнительных компонентов.
  2. Поместите сплиттер пучка между четвертьволновой пластиной и креплением для перевода XY, чтобы разделить луч на два направления. Поместите еще один сплиттер пучка между креплением перевода XY и объективом.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Один путь пучка такой же, как и предыдущая установка метахолограммы с несколькими мультиплексами. Здесь, другой разделенный луч будет выровнен, чтобы осветить образец в противоположном направлении к предыдущей установке.
  3. Поместите два зеркала так, чтобы луч изгибается дважды при 90 градусах каждый, чтобы сформировать переменные направления и настроить луч, который будет направлен во второй сплиттер луча. Мелко выровнять свет так, чтобы луч облучает образец правильно в противоположном направлении.
  4. Поместите другой объектив на 90 градусов справа от первого сплиттера пучка и поместите CCD, чтобы захватить изображение голограммы с противоположного направления.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Метаповерхносты a-Si:H обеспечивают высокую эффективность перекрестной поляризации и могут быть изготовлены методом(рисунок 1), который совместим с CMOS; эта черта может позволить масштабируемое изготовление и в ближайшем будущем коммерциализации. Изображение SEM показывает сфабрикованные метаповерхации a-Si:H(рисунок 2). Кроме того, a-Si:H имеет больший рефракционный индекс, чем TiO2 и GaN, поэтому даже при низком соотношении аспектов наноструктуры о...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Метаповерхиния a-Si:H были изготовлены в трех основных шагах: осаждение тонкой пленки a-Si:H с использованием PECVD, точный EBL и сухое офорт. Среди этих шагов наиболее важным является процесс написания EBL. Во-первых, плотность узора на метаповерхациях довольно высока, поэтому процесс требует точного контроля над дозой электрона (энергии) и параметрами сканирования, такими как количество точек на единицу площади. Условие развития также должно быть выбрано тщательно. Плотность шаблона очень высока, поэтому, когда процесс...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Благодарности

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

Эта работа была финансово поддержана грантами Национального исследовательского фонда (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290), финансируемых Министерством науки и ИКТ правительства Кореи. I.K. признает стипендию NRF Global Ph.D. (NRF-2016H1A2A1906519), финансируемую Министерством образования корейского правительства.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
AcetonJ.T. Baker925402
СветоделительThorlabsCCM1-BS013/M
Хромовый травительKMGCr-7
Источник испарения хромаKurt J. LeskerEVMCR35D
ClampThorlabsCP175
Проводящий полимерShowa denkoE-spacer
Диодный лазерThorlabsCPS635
E-лучевая испарительная системаKorea Vacuum TechKVE-E4000
E-beam resistMicrochem495 PMMA A2
Электронно-лучевая литографияElionixELS-7800
Полуволновая пластинаThorlabsAHWP05M-600
Индуктивно связанная плазма реактивная ионное травлениеDMS-Iris
ThorlabsSM1D12
Изопропиловый спиртJ.T. Baker909502
Кинематическое крепление для зеркалаThorlabsKM100/M
ОбъективThorlabsLB1630
Крепление для объективаThorlabsLMR2/M
Линейный поляризаторThorlabsGTH5-A
ЗеркалоThorlabsPF10-03-G01
Фильтр нейтральной плотностиThorlabsNDC-50C-4
Плазменное усиленное химическое осаждение из газовой фазыBMR ТехнологияHiDep-SC
PostThorlabsTR75/M
Держатель столбаThorlabsPH75E/M
Четвертьволновая пластинаThorlabsAQWP10M-580
Резистный проявительMicrochemMIBK:IPA=1:3
Вращательное креплениеThorlabsRSP1/M
Сканирующая электронная микроскопияHitachiRegulus8100
XY Крепление для трансляцииThorlabsXYF1/M
1-дюймовый адаптерThorlabsAD11F
1- дюймовый байонетобъектива ThorlabsCP02/M

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

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

Похожие статьи