Demonstration af spin-multipleks og retnings multipleksed all-dielektriske synlige metaholograms

Summary

Vi præsenterer en protokol for fremstilling af spin- og retnings multiplexed synlige metaholograms, derefter foretage et optisk eksperiment for at kontrollere deres funktion. Disse metahologrammer kan nemt visualisere kodede oplysninger, så de kan bruges til projektiv volumetrisk visning og informationskryptering.

Abstract

Den optiske holografi teknik realiseret af metasurfaces har vist sig som en ny tilgang til projektive volumetrisk display og information kryptering display i form af ultratynde og næsten flade optiske enheder. Sammenlignet med den konventionelle holografiske teknik med rumlige lysmodulatorer har metahologrammet mange fordele såsom miniaturisering af optisk opsætning, højere billedopløsning og større synlighedsområde for holografiske billeder. Her er en protokol rapporteret for fremstilling og optisk karakterisering af optiske metahologrammer, der er følsomme over for spin og retning af hændelsen lys. Metafladerne består af hærdet amorf silicium (a-Si:H), som har et stort brydningsindeks og en lille udryddelseskoefficient i hele det synlige område, hvilket resulterer i høj transmissions- og diffraktionseffektivitet. Enheden producerer forskellige holografiske billeder, når der skiftes til hændelseslysets spin eller retning. Derfor kan de kode flere typer visuelle oplysninger samtidigt. Fabrikationsprotokollen består af filmaflejring, elektronstråleskrivning og efterfølgende ætsning. Den fabrikerede enhed kan karakteriseres ved hjælp af en tilpasset optisk opsætning, der består af en laser, en lineær polarisator, en fjerdedel bølgeplade, en linse og en afgift-koblet enhed (CCD).

Introduction

Optiske metaoverflader, der består af nanostrukturer under bølgelængden, har gjort det muligt for mange interessante optiske fænomener, herunder optisk tilsløring^1,negativ brydning², perfekt lysabsorption³,^{farvefiltrering 4}, holografisk billedprojektion⁵og strålemanipulation^6,7,8. Optiske metaoverflader, der har passende designet scatterers kan modulere spektret, wavefront og polarisering af lys. Tidlige optiske metaflader blev hovedsageligt fremstillet ved hjælp af ædle metaller (f.eks Au, Ag) på grund af deres høje refleksionsevne og lethed af nanofabrikation, men de har høje Ohmic tab, så metasurfaces har lav effektivitet på korte synlige bølgelængder.

Udvikling af nanofabrikationsteknikker for dielektriske materialer, der har lave tab i_synligt⁹lys¹⁰(f.eks.¹¹ Disse enheder har applikationer i optik og teknik. En spændende ansøgning er optisk holografi til projektiv volumetrisk display og informationskryptering. Sammenlignet med konventionelle hologrammer, der bruger rumlige lysmodulatorer, har metahologrammet mange fordele såsom miniaturisering af optisk opsætning, højere opløsning af holografiske billeder og større synsfelt.

For nylig er der opnået kodning af flere holografiske oplysninger i en metahologramenhed med et enkelt lag. Som eksempler kan nævnes metaholograms , der er multiplexed i spin^12,13, orbital vinkel momentum¹⁴, hændelse lys vinkel¹⁵, og^{retning 16}. Disse bestræbelser har overvundet den kritiske mangel ved metaholograms, som er en mangel på design frihed i en enkelt enhed. De fleste konventionelle metahologrammer kunne kun producere enkelt kodede holografiske billeder, men multiplexed enhed kan indkode flere holografiske billeder i realtid. Derfor er det multiplexed metahologram en afgørende løsning platform mod ægte holografisk video display eller multifunktionelle anticounterfeiting hologrammer.

Rapporteret her er protokoller til at fremstille spin- og retning-multiplexed all-dielektriske synlige metaholograms, derefter til optisk karakterisere^{dem 13,16}. For at kode flere visuelle oplysninger i en enkelt metaoverfladeenhed er der designet metahologrammer, som viser to forskellige holografiske billeder, når omspin eller retning af hændelseslyset ændres. For at fremstille højeffektive holografiske billeder på en måde, der kan sammenlignes med CMOS-teknologi, bruges a-Si:H til metasurfaces og dobbelte magnetiske resonanser og antiferromagnetiske resonanser induceret inde i dem udnyttes. Fabrikationsprotokollen består af filmdeposition, elektronstråleskrivning og ætsning. Den fabrikerede enhed er karakteriseret ved hjælp af en tilpasset optisk opsætning bestående af en laser, en lineær polarisator, en fjerdedel bølgeplade, en linse og en afgift-koblet enhed (CCD).

Protocol

1. Fremstilling af udstyr

BEMÆRK: Figur 1 viser fremstillingsprocessen af a-Si:H-metaoverflader¹⁷.

1. Der tilberedes et sammensmeltet silicawaferstykke (størrelse = 2 cm x 2 cm, tykkelse = 500 μm) som substrat. Skyl underlaget med acetone og isopropylalkohol (IPA), og blæs derefter nitrogengas over underlaget for at tørre det.
2. Der deponeres en 380 nm tyk a-Si:H-film på substratet ved hjælp af plasmaforbedret kemisk dampaflejring (PECVD) med følgende indstillinger: kammertemperatur = 300 °C; radiofrekvenseffekt = 800 W; gasstrømningshastighed = 10 sccm for SiH₄ og 75 sccm for H₂ procestryk = 25 mTorr; tid = 30 s.
3. Spin-coat en e-beam litografi fotoresist. Drop polymethyl methacrylat (PMMA) A2 på substratet og spin-coat med en rotationshastighed på 2.000 omdrejninger i minuttet i 1 min.
4. Det resist-belagte underlag bages på en kogeplade ved 180 °C i 5 min.
5. Spin-coat en ledende polymer lag for at forhindre ophobning af ladning under e-beam skriftligt proces. Drop den ledende polymer (f.eks Espacer) på substratet og spin-coat med en rotationshastighed på 2.000 omdr./min. i 1 min.
6. Kør e-beam litografi med en accelerationsspænding på 80 kV og en strøm på 50 pA.
7. Prøven nedsænkes i deioniseret (DI) vand i 2 min. for at fjerne det ledende polymerlag. Prøven nedsænkes i 1:3 methylisobutylketon (MIBK):IPA-opløsning omgivet af en iskop i 12 minutter for at udvikle det eksponerede mønster. Skyl derefter prøven med IPA i 30 s.
8. Aflejr en 30 nm tyk krom (Cr) film ved hjælp af en e-beam fordamper.
9. Prøven nedsænkes i acetone for at fjerne det ikke-eksponerede fotoresistiske lag, og cr-mønsteret overføres til underlaget. Sonikere i 1 min ved 40 kHz, derefter skylles med IPA i 30 s.
10. Etch den udækkede a-Si:H lag til at overføre Cr mønster i a-Si: H lag ved hjælp af en tør etcher med en kilde effekt på 500 W, bias på 100 V, gas strømningshastigheder på 80 sccm for Cl₂ og 120 sccm for HBr.
11. Prøven nedsænkes i en Cr etchant-opløsning for at fjerne Cr-ætsmasken. Derefter skylles prøven sekventielt med acetone, IPA og DI vand i henholdsvis 30 sek.

2. Scanning elektron mikroskop karakterisering

1. Spin-coat en ledende polymer lag for at forhindre ophobning under elektronstråle scanningsprocessen. Drop den ledende polymer på substratet og spin-coat ved en rotationshastighed på 2.000 rpm i 1 min.
2. Fastgør underlaget på prøveholderen med kulstoftape. Vent lastlåskammeret ved at trykke på AIR-knappen.
3. Sæt holderen på lastlåskammerets holdestangen. Evakuer lastlåskammeret ved at trykke på EVAC-knappen.
4. Indstil scenehøjden og vippevinklen ved at indstille Z-sensoren til 8 mm og T-sensoren til 0°.
5. Åbn lastlåskammerdøren ved at trykke på OPEN-knappen. Tryk på holdestangen for at overføre holderen til SEM-kammeret (Main Scanning electron microscope). Træk stangen ud, og tryk på KNAPPEN LUK.
6. Kontroller vakuumtilstanden, før elektronpistolen tændes. Udfør den blinkende funktion ved at trykke på blinkende knappen for at fjerne kulstof eller støv i elektronpistolen med øjeblikkelig høj spænding.
7. Tænd elektronpistolen med en accelererende spænding på 5 kV ved at klikke på ON-knappen i SEM-softwaren.
8. Juster strålejusteringen for præcist at lokalisere elektronstrålen i midterpositionen ved at klikke på BEAM ALIGNMENT-panelet i softwaren. Find strålen i midten ved hjælp af en scenecontroller.
9. Juster blændejusteringen og stigmatiseringsjusteringen for at lave en cirkulær elektronstråle ved at klikke på PANELET APERTURE ALIGNMENT i softwaren. Brug en stigma controller, lave en stabil stråle til at scanne på samme sted.
10. Optag SEM-billeder med passende fokus og stigmatiseringsjustering.
11. Sluk for elektronstrålen ved at klikke på OFF-knappen i softwaren. Klik på knappen HJEM for at vende scenen tilbage til den oprindelige position.
12. Åbn hovedkammerets dør, og tryk på stangen for at afhente prøveholderen. Udluft belastningslåskammeret ved at trykke på AIR-knappen og derefter aflæsse holderen.
13. Skyl prøven med DI-vand for at fjerne det ledende polymerlag.

3. Optisk karakterisering af det spin-multiplexed metahologram

1. Forbered optiske komponenter, der er angivet i materialetabel.
2. Fastgør diodelasermodulet til en adapter, der kan tilsluttes en optisk montering på 1". Juster diodelaserens højde ved hjælp af et indlæg og en indlægsholder, og fastgør positionen ved hjælp af en klemme.
   BEMÆRK: Hver optisk komponent skal monteres ved hjælp af en stolpe og en indlægsholder og derefter fastgøres på plads ved hjælp af en klemme.
3. Saml halvbølgepladen ved hjælp af en 1 tommer rotationsbeslag, og placer derefter pladen foran lasermodulet for at rotere det lineært polariserede lys.
4. Forbered to spejle ved at montere dem på 1 tommer kinematiske mounts og en justering disk til at justere retningen af den oprindelige stråle.
   1. Placer justeringsdisken foran laseren, og indstil højden. Placer de to spejle, så strålen bøjer to gange ved 90° hver for at være skiftevis retninger.
   2. Placer justeringsdisken i nærheden af det andet spejl, og juster vinklen på det første spejl ved at dreje knapperne for at justere lyset i midten.
   3. Placer justeringsdisken langt fra det andet spejl, og juster vinklen på det andet spejl ved at dreje knapperne for at justere lyset i midten.
   4. Gentag trin 3.4.2 og 3.4.3, indtil lyset passerer gennem midten af en justeringsdiske begge steder.
5. Placer et neutralt tæthedsfilter bag spejlet for at styre lysets intensitet. Anvis en iris bag filteret for neutral tæthed for at styre diameteren af indfiltreringslys.
6. For at lave et cirkulært polariseret lys skal du placere en lineær polarisator og en kvart bølgeplade i rækkefølge bag irisen. Monter hver komponent på sin egen rotationsmontering.
7. Fastgør det opdigtede metaflade til en plade med et hul, og monter pladen på XY-oversættelsesholderen til rektangulær optik. Juster XY-oversættelsesholderen, så lyset rettes mod mønsteret i prøven.
8. Placer en linse efter metaoverfladen. Juster placeringen af den linse, der skal placeres i brændvidden. Placer en CCD efter objektivet for at tage et hologrambillede.

4. Optisk karakterisering af retnings multipleks metahologram

1. Forbered to stråle splittere, to spejle, linse og CCD.
   BEMÆRK: Denne opsætning kan bygges ud fra den spin-multiplexed metahologram opsætning ved at tilføje yderligere komponenter.
2. Placer en bjælkesplitter mellem kvartbølgepladen og XY-oversættelsesbeslagen for at opdele strålen i to retninger. Placer en anden strålesplitter mellem XY-oversættelsesbeslagget og objektivet.
   BEMÆRK: En strålesti er den samme som den tidligere spin-multiplexed metahologram setup. Her vil en anden split beam blive justeret for at belyse en prøve i den modsatte retning af den tidligere opsætning.
3. Placer to spejle således, at strålen bøjer to gange ved 90° hver for at danne skiftende retninger og justere den stråle, der skal rettes ind i den anden stråle splitter. Juster lyset korrekt, så strålen bestråler prøven korrekt i den modsatte retning.
4. Placer en anden linse ved 90° til højre for den første strålesplitter, og placer en CCD for at tage et hologrambillede fra den modsatte retning.

Representative Results

A-Si:H-metaoverfladerne muliggør høj krydspolariseringseffektivitet og kan fremstilles ved hjælp af en metode (Figur 1), der er kompatibel med CMOS; dette træk kan muliggøre skalerbar fabrikation og nær-fremtid kommercialisering. SEM-billedet viser de opdigtede a-Si:H-mellemflader (Figur 2). Desuden har a-Si:H et større brydningsindeks end TiO₂ og GaN, så selv med et lavt højde-bredde-forhold på omkring 4,7 kan en a-SiH-metahologram med høj diffraktionseffektivitet realiseres. Den beregnede effektivitet ved 633 nm bølgelængde var 74%, og den målte effektivitet var 61%.

Et spin-multiplexed metahologram kan skifte de projicerede holografiske billeder ved blot at vende håndsydheden af hændelsen cirkulært polariseret lys (Figur 3a). Til at designe et sådant spin-multiplexed metahologram blev der anvendt to slags metaoverflader; de kan give forskellige svar, afhængigt af om lyset er cirkulært polariseret til venstre eller til højre. Gerchberg-Saxton algoritmen blev brugt til at beregne en fase kort, der svarer til off-axis holografiske billeder. Afhængigt af polariseringsstaterne for indgangsstrålen kan 'ITU' og 'RHO' holografiske billeder (figur 3c-e)derfor skiftes i realtid med høj nøjagtighed.

Et retnings multiplexet metahologram kan skifte de projicerede holografiske billeder ved at ændre indpersonerlysets retning (Figur 4a). For eksempel, hvis lyset kommer ind fra substratet side (fremad retning), de holografiske 'RHO' billeder kan observeres (Figur 4b,d), og hvis lyset kommer fra metaoverfladen side (baglæns retning), kan de holografiske 'ITU' billeder ses (Figur 4c,e). Hologramanordningen, der fungerer i begge retninger, har den fordel, at den udvider det område, hvor oplysningerne kan overføres, og at overføre og modtage forskellige visuelle oplysninger i henhold til observatørens position.

Figur 1: Flowdiagram over a-Si:H-metaoverfladefabrikation. Fremstillingen starter med en dobbelt-side-poleret smeltet silica substrat. Ved hjælp af PECVD deponeres 380 nm tyk a-Si:H og efterfølges af spin-belægning af e-beam-modstanden, PMMA A2. Elektronstråle litografi (EBL) scanning trækker nanorod mønstre på modstå, som overføres til a-Si: H lag af Cr lift-off proces. En tør ætsning proces overfører Cr mønster på a-Si:H lag, så Cr etch maske fjernes ved hjælp af en Cr etchant. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: SEM-billedet af den fabrikerede enhed. En vippet visning af SEM billede af 380 nm tyk a-Si:H metaoverflader præsenteres. Under ætsningsprocessen opstod der en skrå sidevægsprofil. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: Et spin-multiplexed metahologram. a) Skematisk for driften af det foreslåede spin-multiplexed metahologram. bb) Optisk mikroskop og SEM-billeder. Den samlede størrelse af den fabrikerede metahologramenhed er 400 μm x 400 μm. En enkelt nanorod har en længde på 200 nm, en bredde på 80 nm og en højde på 380 nm. c) Eksperimentelt opnåede »ITU«-holografiske billeder med venstre cirkulær polarisering, der virker ved en bølgelængde på 633 nm. dd) Eksperimentelt opnåede 'RHO' holografiske billeder med den højre cirkulære polarisering taget med et CCD-kamera. ee) Eksperimentelt fremkommet begge holografiske billeder ved hjælp af det elliptisk polariserede lys. Dette tal er blevet ændret fra Ansari et al.¹³. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: Et retnings multiplekseret metahologram. a) Skematisk for driften af det foreslåede retnings multiplekserede metahologram. bb)c Fresnel-type metahologram finite-forskellige tid-domæne simulering resultater. Et venstre cirkulært polariseret lys oplyst i frem- og tilbageadgående retninger. d) Eksperimentelt opnåede holografiske billeder taget med et CCD-kamera. Dette tal blev ændret fra Ansari et al.¹⁶. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

A-Si:H-metasurfaces blev fremstillet i tre store trin: a-Si:H tyndfilmdeposition ved hjælp af PECVD, præcis EBL og tør ætsning. Blandt disse trin er EBL-skriveprocessen den vigtigste. For det første er mønstertætheden på metaoverflader ret høj, så processen kræver præcis kontrol over elektrondosis (energi) og scanningsparametre såsom antal prikker pr. enhedsområde. Udviklingstilstanden bør også vælges omhyggeligt. Tætheden af mønsteret er meget højt, så når udviklingsprocessen sker øjeblikkeligt, er de nanorodformede mønstre ikke defineret godt, men er forbundet med hinanden. For at forebygge dette problem og for at give en passende negativ slop af fotoresisten, som gør det nemt at løfte af, blev der anvendt en koldudviklingsteknik, hvor udviklingsprocessen udføres ved 2-4 °C. Desuden kan en tolags resist-metode anvendes til nem lift-off proces, hvor der anvendes to forskellige slags resists med forskellig molekylvægt og opløselighed i en udviklingsløsning. Derudover skal sidevægsprofilen under ætsningsprocessen foretages så tæt på 90° som muligt ved at justere ætsningsprocessen.

SEM og optisk karakterisering af de fabrikerede metaoverflader bør udføres strengt. Ved at observere SEM-billeder af de fabrikerede strukturer bør nøjagtige geometriske parametre og sidevægsprofil kontrolleres for at forudsige metahologrammets effektivitet. For det optiske eksperiment, at producere og opnå høj kvalitet holografiske billeder, bør hændelsen laserstråle form og fokusering justeres præcist. Derfor bør den optiske komponent være godt afstemt med hinanden og korrekt placeret i henhold til komponentspecifikationer såsom brændvidde af linse og vinkel på polarisator og bølgeplade.

I dette arbejde præsenterede vi en detaljeret fabrikation og karakteriseringsmetode for spin- og retnings multipleksed metaholograms. At øge antallet af funktioner på et-lags metasurface er en nyttig teknik til at udvide applikationerne af metasurface. Samtidig bør man dog også undersøge aktive funktioner, der kan ændre forskellige funktioner i realtid. I dette eksperiment blev passive metoder, såsom ændring af polarisatorvinklen eller optiske komponenter, brugt til at skifte holografiske billeder. Men hvis aktive materialesystemer såsom faseændringsmaterialer eller flydende krystaller kombineres med det multifunktionelle metahologram, kan det holografiske videodisplay og anticounterfeiting displayteknologi med metahologram kommercialiseres i den nærmeste fremtid¹⁸. Desuden vil avanceret nanoimprinting metode være til stor hjælp for skalerbar fremstilling af metahologram enheder. ¹⁹ Også, nye design metode, såsom bølgelængde-afkoblet metasurface design metode, vil gøre det muligt fuld farve hologram enheder. ^kr.

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