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Engineering

Démonstration de métahologrammes visibles all-diélectriques spin-multiplexés et multixés

doi: 10.3791/61334 Published: September 25, 2020

Summary

Nous présentons un protocole pour la fabrication de métahologrammes visibles spin-et direction multiplexed, puis effectuer une expérience optique pour vérifier leur fonction. Ces métahologrammes peuvent facilement visualiser les informations codées, de sorte qu’ils peuvent être utilisés pour l’affichage volumétrique projectif et le chiffrement de l’information.

Abstract

La technique d’holographie optique réalisée par les métasurfaces est apparue comme une nouvelle approche de l’affichage volumétrique projectif et de l’affichage de chiffrement de l’information sous la forme d’appareils optiques ultrachin et presque plats. Comparé à la technique holographique conventionnelle avec des modulateurs de lumière spatiale, le métahologramme présente de nombreux avantages tels que la miniaturisation de la configuration optique, une résolution d’image plus élevée et un champ de visibilité plus important pour les images holographiques. Ici, un protocole est signalé pour la fabrication et la caractérisation optique des métahologrammes optiques qui sont sensibles à la rotation et à la direction de la lumière incidente. Les métasurfaces sont composées de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), qui a un indice de réfraction important et un faible coefficient d’extinction dans toute la gamme visible résultant en une forte transmission et efficacité de diffraction. L’appareil produit différentes images holographiques lorsque la rotation ou la direction de la lumière incidente sont commutées. Par conséquent, ils peuvent coder plusieurs types d’informations visuelles simultanément. Le protocole de fabrication se compose de dépôt de film, d’écriture de faisceau d’électrons et de gravure ultérieure. L’appareil fabriqué peut être caractérisé à l’aide d’une configuration optique personnalisée qui se compose d’un laser, d’un polariseur linéaire, d’un quart de plaque d’onde, d’une lentille et d’un dispositif couplé à la charge (CCD).

Introduction

Les métasurfaces optiques composées de nanostructures sous-longueur d’onde ont permis de nombreux phénomènes optiques intéressants, y compris le camouflage optique1, la réfraction négative2, l’absorption parfaite de lumière3, le filtrage de couleur4, la projection d’image holographique5, et la manipulation de faisceau6,7,8. Les métasurfaces optiques qui ont des disperseurs conçus de manière appropriée peuvent moduler le spectre, le front d’onde et la polarisation de la lumière. Les premières métasurfaces optiques ont été principalement fabriquées à l’aide de métaux nobles (p. ex., Au, Ag) en raison de leur forte réflectivité et de leur facilité de nanofabrication, mais elles ont des pertes ohmiques élevées, de sorte que les métasurfaces ont une faible efficacité à de courtes longueurs d’onde visibles.

Le développement de techniques de nanofabrication pour les matériaux diélectriques qui ont de faibles pertes en lumière visible (par exemple, TiO29, GaN10, et a-Si:H11) a permis la réalisation de dispositifs optiques plats très efficaces avec des métasurfaces optiques. Ces appareils ont des applications dans l’optique et l’ingénierie. Une application intrigante est l’holographie optique pour l’affichage volumétrique projectif et le chiffrement de l’information. Comparé aux hologrammes conventionnels qui utilisent des modulateurs de lumière spatiale, le métahologramme présente de nombreux avantages tels que la miniaturisation de la configuration optique, une résolution plus élevée des images holographiques et un champ de visibilité plus vaste.

Récemment, l’encodage de multiples informations holographiques dans un dispositif de métahologramme à couches uniques a été réalisé. Les exemples incluent les métahologrammes qui sont multiplexés dans le spin12,13, l’élan angulaire orbital14, angle de lumière incident15, et la direction16. Ces efforts ont surmonté les défauts critiques des métahologrammes, qui est un manque de liberté de conception dans un seul appareil. La plupart des métahologrammes conventionnels ne pouvaient produire que des images holographiques codées simples, mais le dispositif multiplexé peut coder plusieurs images holographiques en temps réel. Par conséquent, le métahologramme multiplexé est une plate-forme de solution cruciale vers l’affichage vidéo holographique réel ou les hologrammes anticomptations multifonctionnelles.

Rapporté ici sont des protocoles pour fabriquer spin- et direction multiplexé métahologrammes visibles tout-diélectrique, puis pour les caractériser optiquement13,16. Pour coder plusieurs informations visuelles dans un seul dispositif de métasurface, des métahologrammes sont conçus qui montrent deux images holographiques différentes lorsque la rotation ou la direction de la lumière incidente sont modifiées. Pour fabriquer des images holographiques très efficaces d’une manière comparable à la technologie CMOS, a-Si:H est utilisé pour les métasurfaces et les deux résonances magnétiques et les résonances antiferromagnétiques induites à l’intérieur d’eux sont exploités. Le protocole de fabrication se compose de dépôt de film, d’écriture de faisceau d’électrons et de gravure. L’appareil fabriqué est caractérisé à l’aide d’une configuration optique personnalisée composée d’un laser, d’un polariseur linéaire, d’un quart de plaque d’onde, d’une lentille et d’un dispositif couplé à la charge (CCD).

Protocol

1. Fabrication d’appareils

REMARQUE : La figure 1 montre le processus de fabrication des métasurfaces a-Si:H17.

  1. Préparer une pièce de gaufrette de silice fusionnée (taille = 2 cm x 2 cm, épaisseur = 500 μm) sous forme de substrat. Rincer le substrat avec de l’acétone et de l’alcool isopropyle (IPA), puis souffler l’azote gazeux sur le substrat pour le sécher.
  2. Déposez un film a-Si:H d’épaisseur de 380 nm sur le substrat à l’aide d’un dépôt de vapeur chimique amélioré par plasma (PECVD) avec les réglages suivants : température de chambre = 300 °C; puissance de radiofréquence = 800 W; débit de gaz = 10 sccm pour SiH4 et 75 sccm pour H2; pression de procédé = 25 mTorr; temps = 30 s.
  3. Spin-coat d’un photorésiste de lithographie e-beam. Déposer le méthacrylate polyméthyle (PMMA) A2 sur le substrat et le spin-coat avec une vitesse de rotation de 2 000 tr/min.
  4. Cuire le substrat enrobé de résistance sur une plaque chauffante à 180 °C pendant 5 min.
  5. Enrober une couche de polymère conducteur pour éviter l’accumulation de charge pendant le processus d’écriture du faisceau électronique. Déposer le polymère conducteur (p. ex., Espacer) sur le substrat et le spin-coat avec une vitesse de rotation de 2 000 tr/min.
  6. Exécutez la lithographie de faisceau électronique avec une tension d’accélération de 80 kV et un courant de 50 pA.
  7. Plonger l’échantillon dans de l’eau déionisée (DI) pendant 2 min pour enlever la couche de polymère conducteur. Immerger l’échantillon dans la cétone d’isobutyle méthyle (MIBK) 1:3 : solution IPA entourée d’une tasse glacée pendant 12 min pour développer le motif exposé. Rincez ensuite l’échantillon avec l’IPA pendant 30 s.
  8. Déposez un film de chrome (Cr) d’épaisseur de 30 nm à l’aide d’un évaporateur de faisceau électronique.
  9. Plongez l’échantillon dans l’acétone pour enlever la couche photorésiste non exposée et transférez le motif Cr sur le substrat. Sonilate pendant 1 min à 40 kHz, puis rincer avec IPA pendant 30 s.
  10. Etch la couche a-Si:H découverte pour transférer le modèle Cr dans la couche a-Si:H à l’aide d’un etcher sec avec une puissance de source de 500 W, biais de 100 V, débit de gaz de 80 sccm pour Cl2 et 120 sccm pour HBr.
  11. Plongez l’échantillon dans une solution Cr etchant pour enlever le masque Cr etch. Rincez ensuite l’échantillon séquentiellement avec de l’acétone, de l’IPA et de l’eau DI pendant 30 s, respectivement.

2. Caractérisation du microscope électronique à balayage

  1. Enduire une couche de polymère conducteur pour empêcher l’accumulation de charge pendant le processus de balayage du faisceau d’électrons. Déposer le polymère conducteur sur le substrat et le spin-coat à une vitesse de rotation de 2 000 tr/min.
  2. Fixer le substrat sur le support de l’échantillon à l’aide de ruban à carbone. Évacuez la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton AIR.
  3. Placez le support sur la tige de retenue de la chambre de verrouillage de charge. Évacuez la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton EVAC.
  4. Réglez la hauteur de la scène et l’angle d’inclinaison en réglant le capteur Z à 8 mm et le capteur T à 0°.
  5. Ouvrez la porte de la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton OPEN. Appuyez sur la tige de retenue pour transférer le support dans la chambre principale du microscope électronique à balayage (SEM). Retirez la tige et appuyez sur le bouton CLOSE.
  6. Vérifiez l’état de vide avant d’allumer le pistolet électronique. Exécutez la fonction clignotante en appuyant sur le bouton FLASHING pour enlever le carbone ou la poussière dans le pistolet à électrons avec une tension élevée instantanée.
  7. Allumez le pistolet à électrons avec une tension d’accélération de 5 kV en cliquant sur le bouton ON dans le logiciel SEM.
  8. Ajustez l’alignement du faisceau pour localiser précisément le faisceau d’électrons en position centrale en cliquant sur le panneau BEAM ALIGNMENT dans le logiciel. À l’aide d’un contrôleur de scène, localisez le faisceau au centre.
  9. Réglez l’alignement de l’ouverture et l’alignement de la stigmatisation pour faire un faisceau d’électrons circulaire en cliquant sur le panneau APERTURE ALIGNMENT dans le logiciel. À l’aide d’un contrôleur de stigmatisation, faites un faisceau stable pour numériser au même endroit.
  10. Capturez des images SEM avec une mise au point appropriée et un ajustement stigmatateur.
  11. Éteignez le faisceau d’électrons en cliquant sur le bouton OFF du logiciel. Cliquez sur le bouton HOME pour remettre la scène à sa position d’origine.
  12. Ouvrez la porte de la chambre principale et poussez la tige pour ramasser le support de l’échantillon. Évacuez la chambre de verrouillage de charge en appuyant sur le bouton AIR, puis déchargez le support.
  13. Rincer l’échantillon à l’eau di pour enlever la couche de polymère conducteur.

3. Caractérisation optique du métahologramme à multiplexe spin

  1. Préparer les composants optiques énumérés dans le tableau des matériaux.
  2. Attachez le module laser diode à un adaptateur qui peut être branché sur une monture optique de 1 pouce. Réglez la hauteur du laser à diodes à l’aide d’un poteau et d’un support de poteau, et fixez la position à l’aide d’une pince.
    REMARQUE : Chaque composant optique doit être monté à l’aide d’un poteau et d’un support de poteau, puis fixé en position à l’aide d’une pince.
  3. Assemblez la plaque demi-onde à l’aide d’une monture de rotation de 1 pouce, puis placez la plaque devant le module laser pour faire pivoter la lumière polarisée linéairement.
  4. Préparez deux miroirs en les plaçant sur des montures cinématiques de 1 pouce et un disque d’alignement pour aligner la direction du faisceau initial.
    1. Placez le disque d’alignement devant le laser et réglez la hauteur. Placez les deux miroirs de sorte que le faisceau se plie deux fois à 90° chacun pour être en alternance directions.
    2. Placez le disque d’alignement près du deuxième miroir et réglez l’angle du premier miroir en tournant des boutons pour aligner la lumière au centre.
    3. Placez le disque d’alignement loin du deuxième miroir et réglez l’angle du deuxième miroir en tournant des boutons pour aligner la lumière au centre.
    4. Répétez les étapes 3.4.2 et 3.4.3 jusqu’à ce que la lumière passe à travers le centre d’un disque d’alignement aux deux endroits.
  5. Placez un filtre de densité neutre derrière le miroir pour contrôler l’intensité de la lumière. Placez un iris derrière le filtre de densité neutre pour contrôler le diamètre de la lumière incidente.
  6. Pour faire une lumière polarisée circulairement, placez un polariseur linéaire et une plaque d’onde quart dans l’ordre derrière l’iris. Montez chaque composant sur sa propre monture de rotation.
  7. Attachez la métasurface fabriquée à une plaque avec un trou et montez la plaque sur le support de traduction XY pour l’optique rectangulaire. Réglez la monture de traduction XY de sorte que la lumière soit dirigée vers le motif de l’échantillon.
  8. Placez une lentille après la métasurface. Ajuster la position de la lentille à placer à la longueur focale. Placez un CCD après l’objectif pour capturer une image hologramme.

4. Caractérisation optique du métahologramme multiplexe direction

  1. Préparez deux séparateurs de faisceaux, deux miroirs, l’objectif et le CCD.
    REMARQUE : Cette configuration peut être construite à partir de la configuration du métahologramme à multiplexe spin en ajoutant des composants supplémentaires.
  2. Placez un séparateur de faisceau entre la plaque de quart d’onde et la monture de traduction XY pour diviser le faisceau en deux directions. Placez un autre séparateur de faisceau entre le support de traduction XY et l’objectif.
    REMARQUE : Un chemin de faisceau est le même que la configuration précédente de métahologrammes à multiplexe spin. Ici, un autre faisceau fendu sera aligné pour éclairer un échantillon dans la direction opposée à la configuration précédente.
  3. Placez deux miroirs de sorte que le faisceau se plie deux fois à 90° chacun pour former des directions alternées et ajuster le faisceau à diriger dans le deuxième séparateur de faisceau. Alignez finement la lumière de façon à ce que le faisceau irradie correctement l’échantillon dans la direction opposée.
  4. Placez une autre lentille à 90° à droite du premier séparateur de faisceau et placez un CCD pour capturer une image hologramme de la direction opposée.

Representative Results

Les métasurfaces a-Si:H permettent une efficacité de polarisation croisée élevée et peuvent être fabriquées à l’aide d’une méthode (figure 1)compatible avec CMOS; ce trait peut permettre une fabrication évolutive et une commercialisation à proximité de l’avenir. L’image SEM montre les métasurfaces a-Si:H fabriquées (Figure 2). En outre, a-Si:H a un indice de réfraction plus grand que TiO2 et GaN, de sorte que même avec une nanostructure à faible rapport d’aspect d’environ 4,7, un méta-hologramme a-SiH avec une grande efficacité de diffraction peut être réalisé. L’efficacité calculée à 633 nm longueur d’onde était de 74% et l’efficacité mesurée était de 61%.

Un métahologramme à multiplexe spin peut changer les images holographiques projetées en renversant simplement la main de la lumière polarisée circulairement de l’incident (Figure 3a). Pour concevoir un tel métahologramme à multiplexe spin, deux types de métasurfaces ont été utilisés; ils peuvent produire des réponses différentes selon que la lumière est polarisée circulairement vers la gauche ou vers la droite. L’algorithme Gerchberg-Saxton a été utilisé pour calculer une carte de phase qui correspond aux images holographiques hors axe. Par conséquent, selon les états de polarisation des faisceaux d’entrée, les images holographiques « UIT » et « RHO » (figure 3c−e)peuvent être commutées en temps réel avec une haute fidélité.

Un métahologramme multiplexé de direction peut changer les images holographiques projetées en changeant la direction de la lumière incidente (Figure 4a). Par exemple, si la lumière vient du côté du substrat (direction avant), les images holographiques « RHO » peuvent être observées (Figure 4b,d),et si la lumière provient du côté de la métasurface (direction arrière), les images holographiques « IU » peuvent être vues (Figure 4c,e). Le dispositif hologramme qui fonctionne dans les deux sens a l’avantage d’étendre la zone dans laquelle l’information peut être transmise, et de transmettre et de recevoir des informations visuelles différentes en fonction de la position de l’observateur.

Figure 1
Figure 1 : Diagramme d’écoulement de la fabrication de métasurface a-Si:H. La fabrication commence par un substrat de silice fusionné à double face. À l’aide de PECVD, 380 nm d’épaisseur a-Si:H est déposé et suivi par spin-coating de la résistance e-faisceau, PMMA A2. Le balayage de lithographie de faisceau d’électrons (EBL) dessine des modèles de nanorod sur la résistance, qui sont transférés sur la couche a-Si:H par le processus de décollage de Cr. Un processus de gravure sèche transfère le motif Cr sur la couche a-Si:H, puis le masque Cr etch est enlevé à l’aide d’un cr etchant. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Image SEM de l’appareil fabriqué. Une vue inclinée de l’image SEM de 380 nm d’épaisseur a-Si:H metasurfaces est présentée. Au cours du processus de gravure, un profil latéral incliné s’est produit. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Métahologramme à multiplexe spin. aa) Schéma d’exploitation du métahologramme spin-multiplexé proposé. b) Microscope optique et images SEM. La taille totale du dispositif de métahologramme fabriqué est de 400 μm x 400 μm. Un nanorod unique a une longueur de 200 nm, une largeur de 80 nm et une hauteur de 380 nm. c) Images holographiques « UIT » obtenues expérimentalement avec la polarisation circulaire gauche fonctionnant à une longueur d’onde de 633 nm. (d) Images holographiques « RHO » obtenues expérimentalement avec la polarisation circulaire droite capturée avec une caméra CCD. Ee) A obtenu expérimentalement les deux images holographiques à l’aide de la lumière polarisée elliptiquement. Ce chiffre a été modifié à partir d’Ansari et al.13. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Métahologramme multiplecé de direction. aa) Schéma d’exploitation du métahologramme multiplexé proposé. bb,c) Résultats de simulation de domaine temporel de type Fresnel. Une lumière polarisée circulaire gauche s’est illuminée dans des directions avant et arrière. (d,e) Images holographiques obtenues expérimentalement capturées avec une caméra CCD. Ce chiffre a été modifié à partir d’Ansari et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Les métasurfaces a-Si:H ont été fabriquées en trois étapes principales : le dépôt de film mince a-Si:H à l’aide de PECVD, d’EBL précis et de gravure sèche. Parmi ces étapes, le processus d’écriture eBL est le plus important. Tout d’abord, la densité de motifs sur les métasurfaces est assez élevée, de sorte que le processus nécessite un contrôle précis sur la dose d’électron (énergie) et les paramètres de balayage tels que le nombre de points par zone unitaire. L’état de développement doit également être choisi avec soin. La densité du motif est très élevée, de sorte que lorsque le processus de développement est fait instantanément, les modèles en forme de nanorod ne sont pas bien définis, mais sont connectés les uns aux autres. Pour prévenir ce problème et fournir une pente négative appropriée du photorésiste, ce qui permet un décollage facile, une technique de développement à froid a été utilisée dans laquelle le processus de développement est effectué à 2−4 °C. En outre, une méthode de résistance à deux couches peut être utilisée pour un processus de décollage facile, où deux types différents de résistances ayant des poids moléculaires différents et la solubilité dans une solution de développement sont utilisés. En outre, le profil de la paroi latérale pendant le processus de gravure doit être fait aussi près de 90° que possible en ajustant le processus de gravure.

La SEM et la caractérisation optique des métasurfaces fabriquées doivent être rigoureusement effectuées. En observant les images SEM des structures fabriquées, les paramètres géométriques exacts et le profil latéral-mur doivent être vérifiés pour prédire l’efficacité du métahologramme. Pour l’expérience optique, pour produire et obtenir des images holographiques de haute qualité, la forme et la mise au point du faisceau laser incident doivent être ajustées avec précision. Par conséquent, le composant optique doit être bien aligné les uns avec les autres et correctement positionné selon les spécifications des composants tels que la longueur focale de la lentille et l’angle de polariseur et de plaque d’onde.

Dans ce travail, nous avons présenté une méthode détaillée de fabrication et de caractérisation pour les métahologrammes spin-et-direction multiplexed. L’augmentation du nombre de fonctionnalités sur la métasurface à une seule couche est une technique utile pour étendre les applications de la métasurface. Dans le même temps, cependant, les fonctions actives qui peuvent changer diverses fonctions imposées en temps réel devraient également être étudiées. Dans cette expérience, des méthodes passives, telles que le changement de l’angle polarisant ou des composants optiques, ont été utilisées pour changer d’images holographiques. Toutefois, si des systèmes de matériaux actifs tels que les matériaux de changement de phase ou les cristaux liquides sont combinés avec le métahologramme multifonctionnel, l’affichage vidéo holographique et la technologie d’affichage anticounterfeiting avec le métahologramme peuvent être commercialisés dans un proche avenir18. En outre, la méthode avancée de nanoimprinting sera d’une grande aide pour la fabrication évolutive des dispositifs de métahologramme. 19 De plus, une nouvelle méthodologie de conception, telle que la méthodologie de conception de métasurface découplée par longueur d’onde, permettra des dispositifs hologrammes en couleur. 20

Disclosures

Aucun.

Acknowledgments

Ces travaux ont été soutenus financièrement par les subventions de la Fondation nationale de la recherche (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) financées par le Ministère des sciences et des TIC du gouvernement coréen. I.K. reconnaît la bourse de doctorat mondiale de la NRF (NRF-2016H1A2A1906519) financée par le Ministère de l’éducation du gouvernement coréen.

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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