Demonstrasjon av spin-multipleksede og retningsplumkserte all-dielektriske synlige metahologrammer

Summary

Vi presenterer en protokoll for fabrikasjon av spin- og retning-multipleksed synlige metaholograms, og deretter gjennomføre et optisk eksperiment for å verifisere deres funksjon. Disse metaholograms kan enkelt visualisere kodet informasjon, slik at de kan brukes til prosjektiv volumetrisk visning og informasjonskryptering.

Abstract

Den optiske holografiteknikken realisert av metaoverflater har dukket opp som en ny tilnærming til prosjektiv volumetrisk skjerm og informasjonskrypteringsskjerm i form av ultratynne og nesten flate optiske enheter. Sammenlignet med den konvensjonelle holografiske teknikken med romlige lysmodulatorer, har metahologrammet mange fordeler som miniatyrisering av optisk oppsett, høyere bildeoppløsning og større synsfelt for holografiske bilder. Her rapporteres en protokoll for fabrikasjon og optisk karakterisering av optiske metahologrammer som er følsomme for spinn og retning av hendelseslys. Metasurfaces består av hydrogenert amorfe silisium (a-Si: H), som har stor brytningsindeks og liten utryddelseskoeffisient i hele det synlige området som resulterer i høy overførings- og diffraksjonseffektivitet. Enheten produserer forskjellige holografiske bilder når spin eller retning av hendelseslyset er slått. Derfor kan de kode flere typer visuell informasjon samtidig. Fabrikasjonsprotokollen består av filmdeponering, elektronstråleskriving og påfølgende etsning. Den fabrikkerte enheten kan karakteriseres ved hjelp av et tilpasset optisk oppsett som består av en laser, en lineær polarisator, en kvart bølgeplate, et objektiv og en ladet enhet (CCD).

Introduction

Optiske metaoverflater bestående av nanostrukturer under bølgelengde har gjort det mulig for mange interessante optiske fenomener, inkludert optisk maskering^1,negativ brytning^2,perfekt^{lysabsorpsjon 3,}fargefiltrering^4,holografisk bildeprojeksjon⁵og^{strålemanipulering 6,,7,,8}. Optiske metaoverflater som har riktig utformede scatteres kan modulere spekteret, bølgefronten og polariseringen av lys. Tidlige optiske metaoverflater ble hovedsakelig fabrikkert ved hjelp av edle metaller (f.eks Au, Ag) på grunn av deres høye reflektivitet og enkel nanofabrikasjon, men de har høye Ohmic-tap, slik at metaflatene har lav effektivitet ved korte synlige bølgelengder.

Utvikling av nanofabrikasjonsteknikker for dielektriske materialer som har lave tap i synlig lys (f.eks. TiO₂^9,GaN¹⁰og a-Si:H¹¹) har aktivert realisering av svært effektive flate optiske enheter med optiske metaoverflater. Disse enhetene har applikasjoner innen optikk og engineering. En spennende applikasjon er optisk holografi for prosjektiv volumetrisk skjerm og informasjonskryptering. Sammenlignet med konvensjonelle hologrammer som bruker romlige lysmodulatorer, har metahologramet mange fordeler som miniatyrisering av optisk oppsett, høyere oppløsning av holografiske bilder og større synsfelt.

Nylig har koding av flere holografiske opplysninger i en enlags metahologramenhet blitt oppnådd. Eksempler inkluderer metaholograms som er multipleksed i spinn^12,13, orbital kantete momentum¹⁴, hendelsen lys vinkel¹⁵, og retning¹⁶. Disse tiltakene har overvunnet den kritiske mangelen på metaholograms, som er mangel på designfrihet i en enkelt enhet. De fleste konvensjonelle metaholograms kunne bare produsere enkelt kodede holografiske bilder, men multipleksede enheter kan kode flere holografiske bilder i sanntid. Derfor er multipleksed metahologram en avgjørende løsningsplattform mot ekte holografisk videoskjerm eller multifunksjonelle anticounterfeiting hologrammer.

Rapportert her er protokoller for å fremstille spin- og retning-multipleksede all-dielektriske synlige metaholograms, deretter å optisk karakterisere dem^13,16. For å kode flere visuelle opplysninger i en enkelt metasurface enhet, metaholograms er utformet som viser to forskjellige holografiske bilder når spinn eller retning av hendelsen lys endres. For å fremstille svært effektive holografiske bilder på en måte som kan sammenlignes med CMOS-teknologi, brukes a-Si:H til metaoverflatene og doble magnetiske resonanser og antiferromagnetiske resonanser indusert inne i dem utnyttes. Fabrikasjonsprotokollen består av filmdeponering, elektronstråleskriving og etsning. Den fabrikkerte enheten er preget ved hjelp av et tilpasset optisk oppsett bestående av en laser, en lineær polarisator, en kvart bølgeplate, et objektiv og en lade-skrevet enhet (CCD).

Protocol

1. Enhetsfabrikasjon

MERK: Figur 1 viser fabrikasjonsprosessen til a-Si:H-metaoverflatene¹⁷.

1. Forbered et smeltet silikawaferstykke (størrelse = 2 cm x 2 cm, tykkelse = 500 μm) som substrat. Skyll underlaget med aceton og isopropylalkohol (IPA) og blås deretter nitrogengass over underlaget for å tørke den.
2. Deponer en 380 nm tykk a-Si:H-film på underlaget ved hjelp av plasmaforbedret kjemisk dampdeponering (PECVD) med følgende innstillinger: kammertemperatur = 300 °C; radiofrekvenseffekt = 800 W; gass strømningshastighet = 10 sccm for SiH₄ og 75 sccm for H_2; prosesstrykk = 25 mTorr; tid = 30 s.
3. Spin-coat en e-stråle litografi fotoresist. Slipp polymetylmetakkrylat (PMMA) A2 på underlaget og spin-coat med en rotasjonshastighet på 2000 o/min i 1 min.
4. Stek det resistbelagte substratet på en kokeplate ved 180 °C i 5 min.
5. Spin-coat en ledende polymer lag for å hindre lade akkumulering under e-strålen skriveprosessen. Slipp den ledende polymeren (f.eks. Espacer) på underlaget og spin-coat med en rotasjonshastighet på 2000 o/min i 1 min.
6. Kjør e-stråle litografi med en akselerasjonsspenning på 80 kV og en strøm på 50 pA.
7. Senk prøven i deionisert (DI) vann i 2 min for å fjerne det ledende polymerlaget. Dypp prøven i 1:3 metyl isobuty keton (MIBK):IPA løsning omgitt av en iskopp i 12 min for å utvikle det eksponerte mønsteret. Skyll deretter prøven med IPA i 30 s.
8. Deponer en 30 nm tykk kromfilm (Cr) ved hjelp av en e-strålefordamper.
9. Senk prøven i aceton for å fjerne det ueksponerte fotoresistlaget og overfør Cr-mønsteret til underlaget. Sonicate i 1 min ved 40 kHz, skyll deretter med IPA i 30 s.
10. Etse det avdekkede a-Si: H-laget for å overføre Cr-mønsteret til a-Si: H-laget ved hjelp av en tørr etser med en kildekraft på 500 W, bias på 100 V, gassstrømningshastigheter på 80 sccm for Cl₂ og 120 sccm for HBr.
11. Senk prøven ned i en Cr etchant-løsning for å fjerne Cr etch-masken. Skyll deretter prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann i henholdsvis 30 s.

2. Skanning av elektronmikroskopkarakterisering

1. Spin-coat en ledende polymer lag for å hindre ladning akkumulering under elektron stråle skanningsprosessen. Slipp den ledende polymeren på substratet og spin-coat med en rotasjonshastighet på 2000 rpm i 1 min.
2. Fest underlaget på prøveholderen ved hjelp av karbontape. Luft lufte lastelåskammeret ved å trykke på AIR-knappen.
3. Sett holderen på holderstangen på lastelåskammeret. Evaser lastelåskammeret ved å trykke på EVAC-knappen.
4. Sett trinnhøyden og vippevinkelen ved å sette Z-sensoren til 8 mm og T-sensoren til 0°.
5. Åpne døren til lastelåskammeret ved å trykke på OPEN-knappen. Trykk på holderstangen for å overføre holderen til hovedskanningselektronmikroskopet (SEM). Trekk ut stangen og trykk på CLOSE-knappen.
6. Kontroller vakuumtilstanden før du slår på elektronpistolen. Utfør blinkende funksjon ved å trykke på FLASHING-knappen for å fjerne karbon eller støv i elektronpistolen med en umiddelbar høy spenning.
7. Slå på elektronpistolen med en akselererende spenning på 5 kV ved å klikke på PÅ-knappen i SEM-programvaren.
8. Juster strålejusteringen for å finne elektronstrålen nøyaktig i midtposisjon ved å klikke på BEAM ALIGNMENT-panelet i programvaren. Finn strålen i midten ved hjelp av en scenekontroller.
9. Juster blenderåpningen og stigmajusteringen for å lage en sirkulær elektronstråle ved å klikke på APERTURE ALIGNMENT-panelet i programvaren. Bruk en stigmakontroller til å lage en stabil stråle for å skanne på samme sted.
10. Ta sem bilder med passende fokus og stigmatorjustering.
11. Slå av elektronstrålen ved å klikke på AV-knappen i programvaren. Klikk på HJEM-knappen for å gå tilbake til sin opprinnelige posisjon.
12. Åpne døren til hovedkammeret og skyv stangen for å plukke opp prøveholderen. Luft lufte lastelåskammeret ved å trykke på AIR-knappen og deretter losse holderen.
13. Skyll prøven med DI-vann for å fjerne det ledende polymerlaget.

3. Optisk karakterisering av spin-multipleksed metahologram

1. Klargjør optiske komponenter som er oppført i Materials tabell.
2. Fest diodelasermodulen til en adapter som kan kobles til en 1 tommers optisk montering. Juster høyden på diodelaseren ved hjelp av et innlegg og en stolpeholder, og fest posisjonen ved hjelp av en klemme.
   MERK: Hver optisk komponent skal monteres ved hjelp av en stolpe og en stolpeholder, og deretter festes på plass ved hjelp av en klemme.
3. Monter halvbølgeplaten ved hjelp av en 1 tommers rotasjonsbrakett, og plasser deretter platen foran lasermodulen for å rotere det nesten polariserte lyset.
4. Forbered to speil ved å montere dem på 1 tomme kinematiske fester og en justeringsdisk for å justere retningen på første stråle.
   1. Plasser justeringsskiven foran laseren og still inn høyden. Plasser de to speilene slik at strålen bøyer seg to ganger ved 90° hver for å være vekslende retninger.
   2. Plasser justeringsskiven i nærheten av det andre speilet, og juster vinkelen på det første speilet ved å rotere knotter for å justere lyset i midten.
   3. Plasser justeringsskiven langt fra det andre speilet, og juster vinkelen på det andre speilet ved å rotere knotter for å justere lyset i midten.
   4. Gjenta trinn 3.4.2 og 3.4.3 til lyset passerer gjennom midten av en justeringsdisk begge steder.
5. Plasser et nøytralt tetthetsfilter bak speilet for å kontrollere lysets intensitet. Plasser en iris bak det nøytrale tetthetsfilteret for å kontrollere diameteren på hendelseslyset.
6. For å lage et sirkulært polarisert lys, plasser en lineær polarisator og en kvart bølgeplate i orden bak irisen. Monter hver komponent på sin egen rotasjonsbrakett.
7. Fest det fabrikkerte metaoverflatet til en tallerken med et hull og monter platen på XY-oversettelsesbraketten for rektangulær optikk. Juster XY-oversettelsesbraketten slik at lyset rettes mot mønsteret i prøven.
8. Plasser et objektiv etter metaoverflaten. Juster objektivets posisjon som skal plasseres i brennvidden. Plasser en CCD etter objektivet for å ta et hologrambilde.

4. Optisk karakterisering av retning-multipleksed metahologram

1. Forbered to strålesplittere, to speil, linse og CCD.
   MERK: Dette oppsettet kan bygges fra spin-multipleksed metahologram-oppsettet ved å legge til flere komponenter.
2. Plasser en strålesplitter mellom kvartbølgeplaten og XY-oversettelsesbraketten for å dele strålen i to retninger. Plasser en annen strålesplitter mellom XY-oversettelsesbraketten og objektivet.
   MERK: Én strålebane er den samme som det forrige spin-multipleksede metahologramoppsettet. Her vil en annen delt stråle justeres for å belyse en prøve i motsatt retning av det forrige oppsettet.
3. Plasser to speil slik at strålen bøyer seg to ganger ved 90° hver for å danne vekslende retninger og justere strålen som skal rettes inn i den andre strålesplitteren. Finrett lyset slik at strålen bestråler prøven riktig i motsatt retning.
4. Plasser et annet objektiv på 90° til høyre for den første strålesplitteren, og plasser en CCD for å ta et hologrambilde fra motsatt retning.

Representative Results

A-Si:H-metaoverflatene muliggjør høy krysspolariseringseffektivitet og kan fremstilles ved hjelp av en metode (figur 1) som er kompatibel med CMOS; denne egenskapen kan muliggjøre skalerbar fabrikasjon og nær fremtid kommersialisering. SEM-bildet viser de fabrikkerte a-Si:H-metaoverflatene (figur 2). Videre har a-Si: H en større brytningsindeks enn TiO₂ og GaN, så selv med lavt sideforhold nanostruktur på rundt 4,7, kan et a-SiH meta-hologram med høy diffraksjonseffektivitet realiseres. Den beregnede effektiviteten ved 633 nm bølgelengde var 74% og den målte effektiviteten var 61%.

Et spin-multipleksed metahologram kan bytte de projiserte holografiske bildene ved ganske enkelt å vende håndheten til hendelsen sirkulært polarisert lys (figur 3a). For å designe et slikt spin-multipleksed metahologram, ble to typer metaoverflater brukt; de kan produsere forskjellige svar avhengig av om lyset er sirkulært polarisert til venstre eller til høyre. Gerchberg-Saxton-algoritmen ble brukt til å beregne et fasekart som tilsvarer de holografiske bildene utenfor aksen. Som et resultat, avhengig av inngangsstrålepolariseringsstatene, kan 'ITU' og 'RHO' holografiske bilder (figur 3c−e) byttes i sanntid med høy gjengivelse.

Et retningsmult multiplekset metahologram kan bytte de projiserte holografiske bildene ved å endre hendelseslysretningen (figur 4a). Hvis lyset for eksempel kommer inn fra underlagets side (fremoverretning), kan de holografiske 'RHO'-bildene observeres (figur 4b,d), og hvis lyset kommer fra metaoverflaten (bakoverretning), kan de holografiske 'ITU'-bildene ses (figur 4c,e). Hologramenheten som opererer i begge retninger har fordelene ved å utvide området der informasjon kan overføres, og for å overføre og motta forskjellig visuell informasjon i henhold til observatørens posisjon.

Figur 1: Strømningsdiagram av a-Si:H metasurface fabrikasjon. Fabrikasjonen starter med et dobbeltsidig polert smeltet silikasubstrat. Ved hjelp av PECVD deponeres 380 nm tykk a-Si:H og etterfølges av spin-belegg av e-strålen motstå, PMMA A2. Elektronstråle litografi (EBL) skanning trekker nanorod mønstre på motstå, som overføres til a-Si: H-laget av Cr lift-off prosessen. En tørr etsningsprosess overfører Cr-mønsteret til a-Si:H-laget, og deretter fjernes Cr etch-masken ved hjelp av en Cr-etchant. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Bilde 2: SEM-bildet av den fabrikkerte enheten. En skråt visning av SEM-bildet av 380 nm tykke a-Si:H-metaoverflater presenteres. Under etsningsprosessen oppstod en skrå sideveggprofil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3: Et spin-multipleksed metahologram. (a)Skjematisk drift av den foreslåtte spin-multiplexed metahologram. (b)Optisk mikroskop og SEM-bilder. Den totale størrelsen på den fabrikkerte metahologramenheten er 400 μm x 400 μm. En enkelt nanorod har en lengde på 200 nm, en bredde på 80 nm, og en høyde på 380 nm. (c)Eksperimentelt innhentet 'ITU' holografiske bilder med venstre sirkulær polarisering som arbeider med en bølgelengde på 633 nm. (d)Eksperimentelt innhentet 'RHO' holografiske bilder med riktig sirkulær polarisering tatt med et CCD-kamera. (e)Eksperimentelt innhentet begge holografiske bilder ved hjelp av elliptisk polarisert lys. Dette tallet ble endret fra Ansari et al.¹³. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4: Et retningsplumksert metahologram. (a)Skjematisk drift av den foreslåtte retning-multipleksed metahologram. (b,c) Fresnel-type metahologram begrenset-forskjellige tid-domene simulering resultater. Et venstre sirkulært polarisert lys lyser i forover og bakover. (d,e) Eksperimentelt innhentet holografiske bilder tatt med et CCD-kamera. Dette tallet ble endret fra Ansari et al.¹⁶. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

A-Si:H-metaoverflatene ble fabrikkert i tre hovedtrinn: a-Si:H tynnfilmavsetning ved hjelp av PECVD, presis EBL og tørr etsning. Blant disse trinnene er EBL-skriveprosessen det viktigste. For det første er mønstertettheten på metaoverflatene ganske høy, så prosessen krever nøyaktig kontroll over elektrondosen (energi) og skanneparametere som antall prikker per enhetsområde. Utviklingstilstanden bør også velges nøye. Tettheten av mønsteret er svært høy, så når utviklingsprosessen gjøres øyeblikkelig, er nanorodformede mønstre ikke definert godt, men er koblet til hverandre. For å forhindre dette problemet og for å gi en passende negativ slop av fotoresist, noe som muliggjør enkel lift-off, ble det brukt en kaldutviklingsteknikk der utviklingsprosessen utføres ved 2-4 °C. Videre kan en to-lags resist-metode brukes til enkel lift-off prosess, hvor to forskjellige typer motstår å ha forskjellige molekylvekter og løselighet i en utviklingsløsning brukes. I tillegg bør sideveggprofilen under etsningsprosessen gjøres så nær 90° som mulig ved å justere etsningsprosessen.

SEM og optisk karakterisering av de fabrikkerte metaoverflatene bør utføres nøye. Ved å observere SEM-bilder av de fabrikkerte strukturene, bør eksakte geometriske parametere og sideveggprofil kontrolleres for å forutsi effektiviteten til metahologram. For det optiske eksperimentet, for å produsere og oppnå holografiske bilder av høy kvalitet, bør hendelsen laserstråleform og fokusering justeres nøyaktig. Derfor bør den optiske komponenten være godt justert med hverandre og riktig plassert i henhold til komponentspesifikasjonene som brennvidde på linsen og vinkelen på polarisator og bølgeplate.

I dette arbeidet presenterte vi en detaljert fabrikasjons- og karakteriseringsmetode for spin- og retningsplumkserte metahologrammer. Å øke antall funksjonalitet på ettlags metaoverflate er en nyttig teknikk for å utvide anvendelsene av metaoverflaten. Samtidig bør imidlertid aktive funksjoner som kan endre ulike funksjoner pålagt i sanntid også studeres. I dette eksperimentet ble passive metoder, som å endre polarisatorvinkelen eller optiske komponenter, brukt til å bytte holografiske bilder. Men hvis aktive materialsystemer som faseendringsmaterialer eller flytende krystaller kombineres med det multifunksjonelle metahologrammet, kan den holografiske videoskjermen og anticounterfeiting-skjermteknologien med metahologram kommersialiseres i nær fremtid¹⁸. Videre vil avansert nanoimprinting metode være til stor hjelp for skalerbar produksjon av metahologram enheter. ¹⁹ Også, ny design metodikk, for eksempel bølgelengde-koblet metasurface design metodikk, vil aktivere full-farge hologram enheter. ^{20. mai kl.}

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aceton	J.T. Baker	925402
Beam splitter	Thorlabs	CCM1-BS013/M
Chromium etchant	KMG	Cr-7
Chromium evaporation source	Kurt J. Lesker	EVMCR35D
Clamp	Thorlabs	CP175
Conducting polymer	Showa denko	E-spacer
Diode laser	Thorlabs	CPS635
E-beam evaporation system	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
E-beam resist	Microchem	495 PMMA A2
Electron beam lithography	Elionix	ELS-7800
Half-wave plate	Thorlabs	AHWP05M-600
Inductively-coupled plasma reactive ion etching	DMS	-
Iris	Thorlabs	SM1D12
Isopropyl alcohol	J.T. Baker	909502
Kinematic mirror mount	Thorlabs	KM100/M
Lens	Thorlabs	LB1630
Lens Mount	Thorlabs	LMR2/M
Linear polarizer	Thorlabs	GTH5-A
Mirror	Thorlabs	PF10-03-G01
Neutral density filter	Thorlabs	NDC-50C-4
Plasma enhanced chemical vapor deposition	BMR Technology	HiDep-SC
Post	Thorlabs	TR75/M
Post holder	Thorlabs	PH75E/M
Quarter-wave plate	Thorlabs	AQWP10M-580
Resist developer	Microchem	MIBK:IPA=1:3
Rotational mount	Thorlabs	RSP1/M
Scanning electron microscopy	Hitachi	Regulus8100
XY translation mount	Thorlabs	XYF1/M
1-inch adapter	Thorlabs	AD11F
1-inch lens mount	Thorlabs	CP02/M