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Engineering

旋转多路复用和方向多路复用全介电可见元全息图的演示

doi: 10.3791/61334 Published: September 25, 2020

Summary

我们提出了一个用于制造自旋和方向多路复用可见元全息图的协议,然后进行光学实验以验证其功能。这些元全息图可以轻松地可视化编码的信息,因此它们可用于投射体积显示和信息加密。

Abstract

元表面实现的光全息技术,已成为以超薄、几乎平坦的光学器件形式进行分明体积显示和信息加密显示的一种新方法。与传统的空间光调制技术相比,元全息图具有光学设置的小型化、图像分辨率更高、全息图像能见度大等优点。这里报告了对点电光的旋转和方向敏感的光学元全息图的制造和光学表征协议。变表面由氢化非晶硅(a-Si:H)组成,在整个可见范围内具有较大的折射率和小的消光系数,从而产生高透射和衍射效率。当开关出位光的旋转或方向时,器件会产生不同的全息图像。因此,它们可以同时对多种类型的视觉信息进行编码。制造方案包括薄膜沉积、电子束书写和随后的蚀刻。该制造的器件可以使用定制光学设置进行描述,该设置由激光、线性偏振器、四分之一波板、透镜和电荷耦合器件 (CCD) 组成。

Introduction

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,亚波长纳米结构组成的光学元表面产生了许多有趣的光学现象,包括光学掩蔽1、负折射2、完美光吸收3、滤色4、全息图像投影5、光束操纵6、7、8。7,8具有适当设计的散射器的光学元表面可以调节光的光谱、波前和极化。早期的光学元表面主要使用贵金属(如Au、Ag)制造,由于其高反射率和纳米制造易用性,但具有高欧姆损耗,因此元表面在短可见波长下效率较低。

对于可见光损耗低的介电材料(如TiO2 9、GaN10和a-Si:H11)的纳米制造技术的发展,实现了具有光学元表面的高效平面光学器件。10这些设备在光学和工程领域具有应用。一个耐人寻味的应用是光学全息,用于投射体积显示和信息加密。与使用空间光调制器的传统全息图相比,元全息图具有光学设置的小型化、全息图像分辨率更高、视野更大的许多优点。

最近,在单层元全息图装置中实现了多个全息信息的编码。例如,在旋转12、13、,轨道角动量14、射点光角15和方向16中多路复用的元全息图。这些努力克服了元全息图的临界缺陷,即单一设备缺乏设计自由度。大多数传统的元全息图只能生成单个编码的全息图像,但多路复用设备可以实时对多个全息图像进行编码。因此,多路复用元全息图是实现真实全息视频显示或多功能反反全息图的关键解决方案平台。

这里报道的协议是制造旋转和方向多路复用全介电可见元全息图,然后以光学特性它们13,16。13,为了在单个元表面设备中对多个视觉信息进行编码,设计了元全息图,当电感光的旋转或方向发生变化时,这些图像会显示两个不同的全息图像。为了以与CMOS技术相媲美的方式制造高效的全息图像,利用a-Si:H进行元表面和双磁共振,并利用其内部诱导的抗铁磁共振。制造方案包括薄膜沉积、电子束书写和蚀刻。制造装置的特点是使用由激光、线性偏振器、四分之一波板、透镜和电荷耦合器件 (CCD) 组成的定制光学装置。

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Protocol

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1. 设备制造

:图1 显示了a-Si:H元表面17的制造过程

  1. 准备熔融石英晶圆片(尺寸 = 2 厘米 x 2 厘米,厚度 = 500 μm)作为基材。用丙酮和异丙醇 (IPA) 冲洗基材,然后将氮气吹过基材进行干燥。
  2. 使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)将380纳米厚的一样一Si:H薄膜沉积在基材上,其设置如下:室温度=300°C;无线电频率功率 = 800 W;气体流速 = 10 sccm 表示 SiH4,75 sccm 表示 H2;工艺压力 = 25 mTor;时间 = 30 s.
  3. 旋转涂层电子梁光刻光刻师。将聚甲基甲基甲基丙烯酸酯 (PMMA) A2 滴到基材上,旋转速度为 2,000 rpm 的旋转涂层 1 分钟。
  4. 在 180 °C 下将电阻涂层基板在 180 °C 上烘烤 5 分钟。
  5. 旋转涂层导电聚合物层,以防止在电子光束书写过程中电荷积聚。将导电聚合物(例如 Espacer)滴到基材上,旋转转速为 2,000 rpm 的旋转涂层 1 分钟。
  6. 以80 kV的加速度电压和50 pA的电流运行电子光束光刻。
  7. 将样品浸入脱压 (DI) 水中 2 分钟,以去除导电聚合物层。将样品浸入1:3甲基异丁基酮(MIBK):IPA溶液被冰杯包围12分钟,形成暴露模式。然后用 IPA 冲洗样品 30 s。
  8. 使用电子束蒸发器沉积 30 nm 厚的铬 (Cr) 薄膜。
  9. 将样品浸入丙酮中,去除未曝光的光膜层,将 Cr 图案转移到基材上。声波1分钟在40千赫,然后用 IPA 冲洗30秒。
  10. 蚀刻未覆盖的 a-Si:H 层,使用源功率为 500 W、偏置为 100 V、Cl2 的气体流速为 80 sccm 和 HBr 的 120 sccm 将 Cr 型板转移到 a-Si:H 层。
  11. 将样品浸入 Cr 蚀刻溶液中,以去除 Cr 蚀刻面膜。然后用丙酮、IPA 和 DI 水分别按顺序冲洗样品 30 秒。

2. 扫描电子显微镜表征

  1. 旋转涂层导电聚合物层,以防止在电子束扫描过程中电荷积聚。将导电聚合物滴到基材上,以 2,000 rpm 的转速旋转涂层 1 分钟。
  2. 使用碳胶带将基板固定到样品架上。按下 AIR 按钮释放负载 锁室
  3. 将支架放在负载锁室的保持杆上。按下 EVAC 按钮,排空 负载锁室
  4. 通过将 Z 传感器设置为 8 mm,将 T 传感器设置为 0°,设置舞台高度和倾斜角度。
  5. 按下"打开"按钮打开负载锁 门。按保持杆将支架转移到主扫描电子显微镜 (SEM) 室。拉出杆并按下 "关闭" 按钮。
  6. 打开电子枪前检查真空状态。按下"闪烁"按钮, 瞬间高压清除电子枪中的碳或灰尘,执行闪烁功能。
  7. 单击 SEM 软件中的 ON 按钮,以 5 kV 的 加速电压 打开电子枪。
  8. 通过单击软件中的 BEAM 对齐面板,调整光束对齐以精确定位 位于 中心位置的电子束。使用舞台控制器,将光束定位在中心。
  9. 通过单击软件中的 APERTURE 对齐面板,调整孔径对齐和 污名对齐以 产生圆形电子束。使用污名控制器,制作一个稳定的光束在同一点上扫描。
  10. 以适当的焦点和污名调整捕获 SEM 图像。
  11. 单击软件中的"关闭 "按钮 关闭电子束。单击 "主页 "按钮将舞台返回到其原始位置。
  12. 打开主室的门,然后推杆拿起样品架。按下 AIR 按钮释放 负载锁室 ,然后卸下支架。
  13. 用 DI 水冲洗样品以去除导电聚合物层。

3. 旋转多路复用元全息图的光学表征

  1. 准备材料表中列出的 光学元件
  2. 将二极管激光模块连接到可插入 1 英寸光学支座的适配器上。使用柱架和后支架调整二极管激光器的高度,并使用夹子固定位置。
    注:每个光学元件应使用柱和后架安装,然后使用夹子固定到位。
  3. 使用 1 英寸旋转安装组装半波板,然后将板放在激光模块前面以旋转线性偏振光。
  4. 通过将两个后视镜安装在 1 英寸运动安装和一个对齐盘上来对齐初始光束的方向,来准备两个后视镜。
    1. 将对齐盘放在激光器前面并设置高度。放置两个后视镜,使光束在 90° 处弯曲两次,以交替方向。
    2. 将对齐盘放在第二面镜子附近,通过旋转旋钮调整第一面镜子的角度,以对齐中心中的光线。
    3. 将对齐盘放在远离第二面镜子的地方,然后通过旋转旋钮调整第二面镜的角度,使中心中的光线对齐。
    4. 重复步骤 3.4.2 和 3.4.3,直到光线通过两个位置的对齐盘的中心。
  5. 将中性密度滤光片放在镜子后面,以控制光线强度。将光圈放在中性密度滤波器后面,以控制出让光的直径。
  6. 要发出圆形偏振光,请将线性偏振器和四分之一波板按顺序排列在光圈后面。将每个组件安装在其自己的旋转装载上。
  7. 将制造的元表面连接到带孔的板上,然后将板安装在 XY 平移支架上,用于矩形光学元件。调整 XY 平移支座,使光线指向样品中的图案。
  8. 将镜头放在元表面之后。调整要放置在焦距的镜头的位置。在镜头后放置 CCD 以捕获全息图图像。

4. 方向多路复用元全息图的光学表征

  1. 准备两个分束器、两个镜子、镜头和CCD。
    注:可以通过添加其他组件,从旋转多路复用元全息图设置构建此设置。
  2. 在四分之一波板和 XY 平移支架之间放置一个分束器,将光束拆分为两个方向。在 XY 平移支座和镜头之间放置另一个分束器。
    注:一个光束路径与之前的旋转多路复用元全息图设置相同。在这里,另一个分割光束将对齐以照亮与上一个设置相反方向的样品。
  3. 放置两个反射镜,使光束在 90° 处弯曲两次,形成交替方向,并调整光束以定向到第二个光束分路器。微调光线,使光束在相反方向正确照射样品。
  4. 将另一个镜头放在第一个分束器右侧 90° 处,并放置一个 CCD 以从相反方向捕获全息图图像。

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Representative Results

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a-Si:H元表面可实现高交叉极化效率,并且可以使用与CMOS兼容的方法(图1)进行制造;这种特性可能实现可扩展的制造和近期的商业化。SEM 图像显示捏造的 a-Si:H 元表面(图 2)。此外,a-Si:H的折射率比TiO2和 GaN大,因此即使低纵横比纳米结构在4.7左右,也可以实现具有高衍射效率的a-SiH元全息图。633 nm波长的计算效率为74%,测量效率为61%。

旋转多路复用元全息图只需翻转事件圆极化光的手部即可切换投影的全息图像(图3a)。为了设计这种旋转多路复用元全息图,使用了两种元表面;它们可以产生不同的响应,具体取决于光线是向左还是向左偏振。Gerchberg-Saxton 算法用于计算对应于非轴全息图像的相位图。因此,根据输入光束极化状态,"ITU"和"RHO"全息图像(图3c+e)可以实时切换,具有高保真度。

方向多路复用的元全息图可以通过改变电感光方向来切换投影的全息图像(图4a)。例如,如果光线从基板侧(前进方向)进入,可以观察到全息"RHO"图像(图4b,d),如果光线来自元d表面侧(向后方向),可以看到全息"ITU"图像(图4c,e)。e双向操作的全息图装置的优点是扩展信息传输区域,以及根据观察者的位置传输和接收不同的视觉信息。

Figure 1
图1:a-Si:H 元表面制造的流程图。 制造从双侧抛光熔融石英基板开始。使用 PECVD,380 nm 厚的 a-Si:H 沉积,然后进行电子光束电阻 PMMA A2 的旋转涂层。电子束光刻 (EBL) 扫描在电阻上绘制纳米棒图案,通过 Cr 升空过程将其传输到 a-Si:H 层。干蚀刻过程将 Cr 图案转移到 a-Si:H 层上,然后使用 Cr 蚀刻面膜去除。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2:制造设备的 SEM 图像。 介绍了 380 nm 厚 a-Si:H 元表面的 SEM 图像倾斜视图。在蚀刻过程中,发生了倾斜的侧壁轮廓。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图 3:旋转多路复用元全息图。 a) 建议的旋转多路复用元全息图的操作示意图。(b) 光学显微镜和SEM图像。制造的元全息图设备的总尺寸为 400 μm x 400 μm。单个纳米杆的长度为 200 nm,宽度为 80 nm,高度为 380 nm。(c) 实验获得"ITU"全息图像,左圆极化波长为633nm。(d) 实验获得"RHO"全息图像,使用CCD相机捕获的右圆极化图像。(e) 使用椭圆偏振光在实验中获得两个全息图像。这个数字是安萨里等人第13条修改的请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4:方向多路复用元全息图。 a) 建议方向多路复用元全息图的操作示意图。(bc)菲涅尔型元全息图有限不同时域仿真结果。左圆形偏振灯向前和向后亮起。(de)用CCD相机拍摄的实验获得的全息图像。这个数字是安萨里等人16日修改的请单击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

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a-Si:H 元表面由三个主要步骤制造:使用 PECVD 的 a-Si:H 薄膜沉积、精确的 EBL 和干蚀刻。在这些步骤中,EBL 编写过程是最重要的。首先,元表面的图案密度相当高,因此该过程需要精确控制电子剂量(能量)和扫描参数,如单位面积的点数。开发条件也应该谨慎选择。图案的密度非常高,所以当开发过程瞬间完成时,纳米棒状图案的定义并不好,而是相互连接。为了防止此问题,并提供适当的光光光片的负斜,从而便于升空,采用冷开发技术,在2~4°C下进行开发过程。 此外,双层电阻方法可用于简单的升空过程,其中两种不同类型的电阻具有不同的分子量和溶解性,在开发解决方案中使用。此外,通过调整蚀刻过程,在蚀刻过程中应尽可能接近 90°的侧壁轮廓。

应严格进行制造元表面的SEM和光学表征。通过观察制造结构的SEM图像,应检查精确的几何参数和侧壁轮廓,以预测元全息图的效率。光学实验要产生和获取高质量的全息图像,应准确调整射射激光束形状和聚焦。因此,光学元件应彼此正确对齐,并根据元件规格(如镜头焦距、偏振器和波板角度)正确定位。

在这一工作中,我们提出了旋转和方向多路复用元全息图的详细制造和表征方法。增加单层元表面的功能数量是扩展元表面应用的有用技术。然而,同时,还应研究能够改变实时施加的各种功能的主动函数。在这个实验中,采用被动方法,如改变偏振器角度或光学元件,来切换全息图像。但是,如果相变材料或液晶等活性材料系统与多功能元全息图相结合,那么全息视频显示和反反反显示技术在近期内就可以商业化。此外,先进的纳米打印方法对元全息图器件的可扩展制造也有很大的帮助。19 此外,新的设计方法,如波长分离元表面设计方法,将启用全彩色全息图设备。20

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Disclosures

没有。

Acknowledgments

这项工作由国家研究基金会(NRF)赠款(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B303030637、NRF-2019R1A5A8080290)提供财政支持,由韩国政府科学和信息通信技术部资助。I.K.承认由韩国政府教育部资助的NRF全球博士奖学金(NRF-2016H1A2A1906519)。

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

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References

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Kim, I., Lee, D., Rho, J. Demonstration of Spin-Multiplexed and Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metaholograms. J. Vis. Exp. (163), e61334, doi:10.3791/61334 (2020).More

Kim, I., Lee, D., Rho, J. Demonstration of Spin-Multiplexed and Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metaholograms. J. Vis. Exp. (163), e61334, doi:10.3791/61334 (2020).

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