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Engineering

Dimostrazione di metalogrammi visibili all-Dielectric e Multiplexed a rotazione e a più elementi

doi: 10.3791/61334 Published: September 25, 2020

Summary

Presentiamo un protocollo per la fabbricazione di metaholograms visibili a rotazione e direzione multiplexed, quindi conduciamo un esperimento ottico per verificarne la funzione. Questi metahologrammi possono facilmente visualizzare le informazioni codificate, in modo che possano essere utilizzati per la visualizzazione volumetrica e la crittografia delle informazioni.

Abstract

La tecnica di olografia ottica realizzata dai metasuperfici è emersa come un nuovo approccio alla visualizzazione volumetrica e alla visualizzazione della crittografia delle informazioni sotto forma di dispositivi ottici ultrasossini e quasi piatti. Rispetto alla tecnica olografica convenzionale con modulatori di luce spaziale, il metahologramma ha numerosi vantaggi come la miniaturizzazione dell'installazione ottica, una maggiore risoluzione dell'immagine e un campo di visibilità più ampio per le immagini olografiche. Qui, viene riportato un protocollo per la fabbricazione e la caratterizzazione ottica di metahologrammi ottici sensibili allo spin e alla direzione della luce incidente. Le metasuperfici sono composte da silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), che ha un grande indice di rifrazione e un piccolo coefficiente di estinzione nell'intera gamma visibile con conseguente elevata trasmissione ed efficienza di diffrazione. Il dispositivo produce diverse immagini olografiche quando la rotazione o la direzione della luce incidente viene commutata. Pertanto, possono codificare più tipi di informazioni visive contemporaneamente. Il protocollo di fabbricazione consiste nella deposizione di pellicola, nella scrittura del fascio di elettroni e nella successiva incisione. Il dispositivo fabbricato può essere caratterizzato utilizzando una configurazione ottica personalizzata che consiste di un laser, un polarizzatore lineare, un quarto di waveplate, un obiettivo e un dispositivo accoppiato a carica (CCD).

Introduction

Le metasuperfici ottiche composte da nanostrutture di lunghezza d'onda hanno permesso molti interessanti fenomeniottici,tra cui il cloaking ottico 1 , la rifrazione negativa2, l'assorbimento della luceperfetta 3, il filtraggio del colore4, la proiezione dell'immagine olografica5e la manipolazionedel fascio 6,7,8. Le metasuperfici ottiche che hanno scatterer progettati in modo appropriato possono modulare lo spettro, il fronte d'onda e la polarizzazione della luce. Le prime metasuperfici ottiche sono state principalmente fabbricate utilizzando metalli nobili (ad esempio, Au, Ag) a causa della loro elevata riflettività e facilità di nanofabbricazione, ma hanno perdite Ohmiche elevate, quindi le metasuperfici hanno una bassa efficienza a brevi lunghezze d'onda visibili.

Lo sviluppo di tecniche di nanofabbricazione per materiali dielettrico che hanno basse perdite di luce visibile (ad esempio, TiO29, GaN10e a-Si:H11) ha permesso la realizzazione di dispositivi ottici piatti altamente efficienti con metasuperfici ottici. Questi dispositivi hanno applicazioni in ottica e ingegneria. Un'applicazione interessante è l'olografia ottica per la visualizzazione volumetrica proiettativa e la crittografia delle informazioni. Rispetto agli ologrammi convenzionali che utilizzano modulatori di luce spaziale, il metahologramma ha numerosi vantaggi come la miniaturizzazione della configurazione ottica, una maggiore risoluzione delle immagini olografiche e un campo di visibilità più ampio.

Recentemente, è stata ottenuta la codifica di più informazioni olografiche in un dispositivo metahologramma a strato singolo. Gli esempi includono metahologrammi multipli nello spin12,13, momento angolare orbitale14, angolo di luce incidente15edirezione 16. Questi sforzi hanno superato la lacudazione critica dei metahologrammi, che è una mancanza di libertà di progettazione in un unico dispositivo. La maggior parte dei metahologrammi convenzionali poteva produrre solo singole immagini olografiche codificate, ma il dispositivo multiplex può codificare più immagini olografiche in tempo reale. Quindi, il metahologramma multiplexed è una piattaforma di soluzione cruciale verso un vero display video olografico o ologrammi anticonforming multifunzionali.

Riportati qui sono protocolli per fabbricare spin-and direzione-multiplexed metaholograms visibili all-dielectric, quindi per caratterizzarli otticamente13,16. Per codificare più informazioni visive in un singolo dispositivo metasuperfici, sono progettati metalogrammi che mostrano due diverse immagini olografiche quando la rotazione o la direzione della luce incidente vengono modificate. Per fabbricare immagini olografiche altamente efficienti in modo paragonabile alla tecnologia CMOS, a-Si:H viene utilizzato per le metasuperfici e vengono sfruttate le risonanze magnetiche doppie e le risonanze antiferromagnetiche indotte al loro interno. Il protocollo di fabbricazione consiste nella deposizione di pellicola, nella scrittura di fasci di elettroni e nell'incisione. Il dispositivo fabbricato è caratterizzato da una configurazione ottica personalizzata composta da un laser, un polarizzatore lineare, una placca d'onda di un quarto, un obiettivo e un dispositivo accoppiato a carica (CCD).

Protocol

1. Fabbricazione del dispositivo

NOTA: Figura 1 mostra il processo di fabbricazione di a-Si:H metasuperfici17.

  1. Preparare un pezzo di wafer di silice fuso (dimensioni 2 cm x 2 cm, spessore 500 m) come substrato. Sciacquare il substrato con acetone e alcool isopropile (IPA), quindi soffiare gas di azoto sul substrato per asciugarlo.
  2. Depositare una pellicola a-Si:H spessa 380 nm sul substrato utilizzando la deposizione di vapore chimico arricchito al plasma (PECVD) con le seguenti impostazioni: temperatura della camera : 300 gradi centigradi; alimentazione a radiofrequenza 800 W; velocità di flusso del gas : 10 sccm per SiH4 e 75 sccm per H2; pressione del processo - 25 mTorr; tempo di 30 s.
  3. Spin-coat un fotoresista di ografia e-beam. Far cadere il metacrilato polimetile (PMMA) A2 sul substrato e sul cappotto con una velocità di rotazione di 2.000 giri/min per 1 min.
  4. Cuocere il substrato rivestito di resistenza su una piastra calda a 180 gradi centigradi per 5 minuti.
  5. Spin-coat uno strato polimero conduttivo per prevenire l'accumulo di carica durante il processo di scrittura del fascio di e-beam. Rilasciare il polimero conduttivo (ad esempio, Espacer) sul substrato e sul spin-coat con una velocità di rotazione di 2.000 giri/min per 1 min.
  6. Eseguire la litiografia del fascio di e-beam con una tensione di accelerazione di 80 kV e una corrente di 50 pA.
  7. Immergere il campione in acqua deionizzata (DI) per 2 minuti per rimuovere lo strato polimero conduttivo. Immergere il campione in 1:3 chetone isobutile metile (MIBK):Soluzione IPA circondata da una tazza ghiacciata per 12 min per sviluppare il modello esposto. Quindi risciacquare il campione con IPA per 30 s.
  8. Depositare una pellicola di cromo spessa 30 nm (Cr) utilizzando un evaporatore e-beam.
  9. Immergere il campione in acetone per rimuovere lo strato fotoresist noneso e trasferire il modello Cr sul substrato. Sonicate per 1 min a 40 kHz, quindi risciacquare con IPA per 30 s.
  10. Etch lo strato a-Si:H scoperto per trasferire il modello Cr nello strato a-Si:H utilizzando un etcher secco con una potenza di origine di 500 W, distorsione di 100 V, flussi di gas di 80 sccm per Cl2 e 120 sccm per HBr.
  11. Immergere il campione in una soluzione Cr etchant per rimuovere la maschera di incisione Cr. Quindi risciacquare il campione in sequenza con acetone, IPA e DI acqua per 30 s, rispettivamente.

2. Caratterizzazione al microscopio elettronico a scansione

  1. Spin-coat uno strato polimero conduttivo per prevenire l'accumulo di carica durante il processo di scansione del fascio di elettroni. Rilasciare il polimero conduttivo sul substrato e spin-coat ad una velocità di rotazione di 2.000 rpm per 1 min.
  2. Fissare il substrato sul supporto del campione utilizzando il nastro di carbonio. Stolate la camera di blocco del carico premendo il pulsante AIR.
  3. Mettere il supporto sull'asta di supporto della camera di blocco del carico. Evacuare la camera di blocco del carico premendo il pulsante EVAC.
  4. Impostare l'altezza dello stage e l'angolo di inclinazione impostando il sensore di z su 8 mm e il sensore T su 0 .
  5. Aprire la porta della camera di blocco del carico premendo il pulsante OPEN. Premere l'asta di detenzione per trasferire il supporto alla camera principale del microscopio elettronico a scansione (SEM). Estrarre l'asta e premere il pulsante CLOSE.
  6. Controllare lo stato di vuoto prima di accendere la pistola elettronica. Eseguire la funzione lampeggiante premendo il pulsante FLASHING per rimuovere il carbonio o la polvere nella pistola elettronica con un'alta tensione istantanea.
  7. Accendere la pistola elettronica con una tensione accelerata di 5 kV facendo clic sul pulsante ON nel software SEM.
  8. Regolare l'allineamento del fascio per individuare con precisione il fascio di elettroni nella posizione centrale facendo clic sul pannello BEAM ALIGNMENT nel software. Utilizzando un controller di fase, individuare la trave al centro.
  9. Regolare l'allineamento dell'apertura e dello stigma per creare un fascio elettronico circolare facendo clic sul pannello APERTURE ALIGNMENT nel software. Utilizzando un controller di stigma, fare un fascio stabile per la scansione nello stesso punto.
  10. Acquisire immagini SEM con una messa a fuoco appropriata e la regolazione dello stigmatizzatore.
  11. Spegnere il fascio di elettroni facendo clic sul pulsante OFF nel software. Fate clic sul pulsante HOME per riportare lo stage alla posizione originale.
  12. Aprire la porta della camera principale e spingere l'asta per raccogliere il supporto del campione. Eseguire lo svasatura della camera di blocco del carico premendo il pulsante AIR, quindi scaricare il supporto.
  13. Sciacquare il campione con acqua DI per rimuovere lo strato polimero conduttivo.

3. Caratterizzazione ottica del metalogramma a rotazione

  1. Preparare i componenti ottici elencati nella Tabella dei materiali.
  2. Collegare il modulo laser di diode a un adattatore che può essere collegato a un supporto ottico da 1 pollice. Regolare l'altezza del laser diodo utilizzando un palo e un supporto postale, e fissare la posizione utilizzando un morsetto.
    NOTA: Ogni componente ottico deve essere montato utilizzando un palo e un supporto per posta, quindi fissato in posizione utilizzando un morsetto.
  3. Assemblare la piastra a mezza onda utilizzando un supporto rotazionale di 1 pollice, quindi posizionare la piastra davanti al modulo laser per ruotare la luce linearmente polarizzata.
  4. Preparare due specchi montandoli su supporti cinematici da 1 pollice e un disco di allineamento per allineare la direzione del fascio iniziale.
    1. Posizionare il disco di allineamento davanti al laser e impostare l'altezza. Posizionare i due specchi in modo che il fascio si pieghi due volte a 90 gradi ciascuno per alternare le direzioni.
    2. Posizionare il disco di allineamento vicino al secondo specchio e regolare l'angolo del primo specchio ruotando le manopole per allineare la luce al centro.
    3. Posizionare il disco di allineamento lontano dal secondo specchio e regolare l'angolo del secondo specchio ruotando le manopole per allineare la luce al centro.
    4. Ripetere i passaggi 3.4.2 e 3.4.3 fino a quando la luce passa attraverso il centro di un disco di allineamento in entrambe le posizioni.
  5. Posizionare un filtro a densità neutra dietro lo specchio per controllare l'intensità della luce. Posizionare un'iride dietro il filtro a densità neutra per controllare il diametro della luce incidente.
  6. Per creare una luce polarizzata circolare, posizionare un polarizzatore lineare e una piastra d'onda di un quarto in ordine dietro l'iride. Montare ogni componente sul proprio supporto rotazionale.
  7. Fissare la metasuperficie fabbricata su una piastra con un foro e montare la piastra sul supporto di traslazione XY per l'ottica rettangolare. Regolare il supporto di traslazione XY in modo che la luce sia diretta al modello nel campione.
  8. Posizionare una lente dopo la metasuperficie. Regolare la posizione dell'obiettivo da posizionare alla lunghezza focale. Posizionare un CCD dopo l'obiettivo per catturare un'immagine ologramma.

4. Caratterizzazione ottica del metalogramma a più direzioni

  1. Preparare due divisori di fascio, due specchi, lente e CCD.
    NOTA: questa configurazione può essere costruita dall'impostazione del metahologramma a rotazione aggiungendo componenti aggiuntivi.
  2. Posizionare uno splitter trave tra la piastra a quattro onde e il supporto di traslazione XY per dividere la trave in due direzioni. Posizionare un altro separatore tra fascio tra il supporto di traslazione XY e l'obiettivo.
    NOTA: un percorso di trave è lo stesso della precedente impostazione del metahologramma a multipli di spin. In questo caso, un altro fascio diviso verrà allineato per illuminare un campione nella direzione opposta alla configurazione precedente.
  3. Posizionare due specchi in modo che il fascio si pieghi due volte a 90 gradi ciascuno per formare direzioni alternate e regolare la trave in modo che venga diretta nella seconda barra di divisione del fascio. Allineare finemente la luce in modo che il fascio irradia correttamente il campione nella direzione opposta.
  4. Posizionare un'altra lente a 90 gradi a destra del primo splitter del fascio e posizionare un CCD per acquisire un'immagine ologramma dalla direzione opposta.

Representative Results

Le metasuperfici a-Si:H consentono un'elevata efficienza cross-polarizzazione e possono essere fabbricate utilizzando un metodo (Figura 1) compatibile con CMOS; questo tratto può consentire la fabbricazione scalabile e la commercializzazione a breve termine. L'immagine SEM mostra le metasuperfici a-Si:H fabbricate (Figura 2). Inoltre, a-Si:H ha un indice di rifrazione più grande di TiO2 e GaN, quindi anche con una nanostruttura a basso rapporto di aspetto di circa 4,7, è possibile realizzare un meta-ologramma a-SiH con elevata efficienza di diffrazione. L'efficienza calcolata a 633 nm di lunghezza d'onda è stata del 74% e l'efficienza misurata è stata del 61%.

Un metahologramma a rotazione può cambiare le immagini olografiche proiettate semplicemente capovolgendo la mano dell'incidente con luce polarizzata circolare (Figura 3a). Per progettare un metalogramma a rotazione multipla, sono stati utilizzati due tipi di metasuperfici; possono produrre risposte diverse a seconda che la luce sia polarizzata circolare a sinistra o a destra. L'algoritmo Gerchberg-Saxton è stato utilizzato per calcolare una mappa di fase che corrisponde alle immagini olografiche fuori asse. Di conseguenza, a seconda degli stati di polarizzazione del fascio di input, le immagini olografiche "ITU" e "RHO" (Figura 3c-e) possono essere commutate in tempo reale con alta fedeltà.

Un metahologramma con multiplex di direzione può cambiare le immagini olografiche proiettate modificando la direzione della luce dell'incidente (Figura 4a). Ad esempio, se la luce proviene dal lato del substrato (direzione in avanti), è possibile osservare le immagini olografiche "RHO" (Figura 4b,d) e se la luce proviene dal lato metasuale (direzione all'indietro), le immagini olografiche "ITU" possono essere viste (Figura 4c,e). Il dispositivo ologramma che opera in entrambe le direzioni ha i vantaggi di estendere l'area in cui le informazioni possono essere trasmesse, e di trasmettere e ricevere diverse informazioni visive a seconda della posizione dell'osservatore.

Figure 1
Figura 1: Diagramma di flusso della fabbricazione della metasuperficie a-Si:H. La fabbricazione inizia con un substrato di silice fuso a doppia lucida laterale. Utilizzando PECVD, 380 nm di spessore a-Si:H è depositato e seguito da spin-coating della resistenza e-beam, PMMA A2. La scansione della litiografia del fascio di elettroni (EBL) disegna modelli nanorod sulla resistenza, che vengono trasferiti sullo strato a-Si:H dal processo di decollo di Cr. Un processo di incisione a secco trasferisce il modello Cr sullo strato a-Si:H, quindi la maschera di incisione Cr viene rimossa utilizzando un incisione Cr. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: L'immagine SEM del dispositivo fabbricato. Viene presentata una vista inclinata dell'immagine SEM di metasuperfici a-Si:H spesse 380 nm. Durante il processo di incisione, si è verificato un profilo di parete laterale inclinato. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: un metalogramma a rotazione. (a) Schematico di funzionamento del metalogramma spin-multiplexed proposto. (b) Microscopio ottico e immagini SEM. La dimensione totale del dispositivo metahologram- fabbricato è di 400 m x 400 m. Un singolo nanorod ha una lunghezza di 200 nm, una larghezza di 80 nm e un'altezza di 380 nm. (c) Immagini olografiche 'ITU' ottenute sperimentalmente con la polarizzazione circolare sinistra che lavora ad una lunghezza d'onda di 633 nm. (d) Immagini olografiche 'RHO' ottenute sperimentalmente con la giusta polarizzazione circolare catturata con una telecamera CCD. (e) Ottenuta sperimentalmente entrambe le immagini olografiche utilizzando la luce ellitticamente polarizzata. Questa cifra è stata modificata da Ansari etal. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: un metalogramma multiplexed direzione. (a) Schematico di funzionamento del metalogramma a più righe di direzione proposto. (b,c) Metaloogramma di tipo Fresnel risultati di simulazione di dominio di tempo-diverso. Una luce polarizzata circolare sinistra illuminata in avanti e indietro. (d,e) Immagini olografiche ottenute sperimentalmente acquisite con una telecamera CCD. Questa cifra è stata modificata da Ansari et al.16. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Le metasuperfici a-Si:H sono state fabbricate in tre fasi principali: deposizione di pellicola sottile a-Si:H utilizzando PECVD, EBL preciso e incisione a secco. Tra questi passaggi, il processo di scrittura EBL è il più importante. In primo luogo, la densità del modello sulle metasuperfici è piuttosto elevata, quindi il processo richiede un controllo preciso sulla dose di elettroni (energia) e sui parametri di scansione come il numero di punti per area unità. Anche la condizione di sviluppo deve essere scelta con attenzione. La densità del modello è molto alta, quindi quando il processo di sviluppo viene eseguito istantaneamente, i modelli a forma di nanorod non sono definiti bene, ma sono collegati tra loro. Per prevenire questo problema e fornire un adeguato slop negativo di fotoresist, che consente un facile decollo, è stata utilizzata una tecnica di sviluppo a freddo in cui il processo di sviluppo viene condotto a 2/4 gradi centigradi. Inoltre, un metodo di resistenza a strato bistrato può essere utilizzato per un facile processo di decollo, dove vengono utilizzati due diversi tipi di resistenze con pesi molecolari e solubilità diversi in una soluzione di sviluppo. Inoltre, il profilo della parete laterale durante il processo di incisione deve essere reso il più vicino possibile a 90 gradi regolando il processo di incisione.

SeM e la caratterizzazione ottica delle metasuperfici fabbricate devono essere rigorosamente condotte. Osservando le immagini SEM delle strutture fabbricate, i parametri geometrici esatti e il profilo della parete laterale devono essere controllati per prevedere l'efficienza del metalogramma. Per l'esperimento ottico, per produrre e ottenere immagini olografiche di alta qualità, la forma e la messa a fuoco del raggio laser dell'incidente devono essere regolate con precisione. Di conseguenza, il componente ottico deve essere ben allineato tra loro e posizionato correttamente secondo le specifiche dei componenti, come la lunghezza focale della lente e l'angolo di polarizzatore e piattaforma d'onda.

In questo lavoro, abbiamo presentato un metodo dettagliato di fabbricazione e caratterizzazione per metahologrammi a rotazione e direzione multiplexed. L'aumento del numero di funzionalità sul metasuperficio a strato singolo è una tecnica utile per espandere le applicazioni del metasuperficie. Allo stesso tempo, tuttavia, dovrebbero essere studiate anche le funzioni attive che possono cambiare le diverse funzioni imposte in tempo reale. In questo esperimento, sono stati utilizzati metodi passivi, come la modifica dell'angolo polarizzatore o dei componenti ottici, per passare da una immagine olografica all'altra. Tuttavia, se i sistemi di materiale attivo come i materiali di cambio di fase o i cristalli liquidi sono combinati con il metahologramma multifunzionale, il display video olografico e la tecnologia di visualizzazione anticonconfeiting con metalogramma possono essere commercializzati nel prossimo futuro18. Inoltre, il metodo avanzato di nanoimprinting sarà di grande aiuto per la produzione scalabile di dispositivi metahologram. 19 Inoltre, la nuova metodologia di progettazione, come la metodologia di progettazione del metasuperficio a lunghezza d'onda, consentirà dispositivi ologrammi a colori. 20 anni

Disclosures

Nessuno.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dalle sovvenzioni della National Research Foundation (NRF) (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) finanziate dal Ministero della Scienza e ICT del governo coreano. I.K. riconosce la borsa di studio NRF Global Ph.D. (NRF-2016H1A2A1906519) finanziata dal Ministero dell'Istruzione del governo coreano.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Cite this Article

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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