Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

スピン多重化および方向多重化全誘電体可視メタホログラムの実証

doi: 10.3791/61334 Published: September 25, 2020

Summary

スピンおよび方向多重化可視メタホログラムの作製プロトコルを提示し、光学実験を行ってその機能を検証する。これらのメタホログラムは、エンコードされた情報を簡単に視覚化できるため、射出容積表示や情報暗号化に使用できます。

Abstract

メタサーフェスによって実現される光学ホログラフィ技術は、超薄型でほぼ平坦な光学デバイスの形で射影容積表示および情報暗号化表示への新しいアプローチとして浮上している。空間光変調器を用いた従来のホログラフィック技術と比較して、メタホログラムは、光学的なセットアップの小型化、高い画像解像度、ホログラフィック画像の視認性の大きい分野など、多くの利点を有する。ここでは、入射光のスピンと方向に敏感な光学メタホログラムの作製および光学的特徴付けのためのプロトコルが報告される。メタサーフェスは水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)で構成されており、可視範囲全体で大きな屈折率と小さな絶滅係数を持ち、透過率と回折効率が高くなります。デバイスは、入射光のスピンまたは方向が切り替えられると、異なるホログラフィック画像を生成します。したがって、複数の種類の視覚情報を同時にエンコードできます。作製プロトコルは、フィルム堆積、電子ビーム書き込み、その後のエッチングから構成されています。製造された装置はレーザー、線形偏光子、四分の一の波板、レンズおよび電荷結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けることができる。

Introduction

サブ波長ナノ構造からなる光学的なメタサーフェスは、光学的クローキング1、負の屈折2、完全光吸収3、色調フィルタリング4、ホログラフィック画像投影5、およびビーム操作6,6、7、8,など、多くの興味深い光学現象を可能にしている。適切に設計された散乱体を持つ光学的なメタサーフェスは、光のスペクトル、波面および偏光を調節することができる。初期の光学メタサーフェスは、主に高い反射率とナノ加工の容易さのために貴金属(例えばAu,Ag)を使用して製造されましたが、オーミック損失が高いため、微小な可視波長での効率が低くなります。

可視光の損失が少ない誘電体材料のナノファブリケーション技術の開発(例えば、TiO29、GaN10、a-Si:H11)により、光学メタサーフェスを備えた高効率平坦光学デバイスの実現が可能になりました。10これらのデバイスは、光学およびエンジニアリングのアプリケーションを持っています。興味深いアプリケーションの 1 つは、射影容積表示と情報暗号化のための光学ホログラフィです。空間光変調器を使用する従来のホログラムと比較して、メタホログラムは、光学セットアップの小型化、ホログラフィック画像の高解像度、視認性の大きい視野など、多くの利点を有する。

近年、単層メタホログラム装置における複数のホログラフィック情報の符号化が実現されている。例としては、スピン12、13、13軌道12角運動量14、入射光角15、および方向16で多重化されたメタホログラムが含まれる。これらの取り組みは、単一のデバイスにおける設計の自由度の欠如であるメタホログラムの重大な欠点を克服しました。ほとんどの従来のメタホログラムは、単一のエンコードされたホログラフィック画像しか生成できませんでしたが、多重化されたデバイスはリアルタイムで複数のホログラフィック画像をエンコードすることができます。したがって、多重化されたメタホログラムは、実際のホログラフィックビデオディスプレイまたは多機能偽造防止ホログラムに向けた重要なソリューションプラットフォームです。

ここで報告されているのは、スピンおよび方向多重化全誘電体可視メタホログラムを製造し、それらを13,16,16に光学的に特徴付けるプロトコルである。1 つのメタサーフェス デバイスで複数の視覚情報をエンコードするために、メタホログラムは、入射光のスピンまたは方向が変更されたときに 2 つの異なるホログラフィック 画像を示すように設計されています。CMOS技術に匹敵する方法で高効率ホログラフィック画像を作製するために、a-Si:Hをメタサーフェスに使用し、その中に誘導される二重磁気共鳴と反強磁性共鳴が利用されます。作製プロトコルは、フィルム堆積、電子ビーム書き込み、およびエッチングから構成されています。製造された装置はレーザー、線形偏光子、四分の一の波板、レンズおよび電荷結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けられる。

Protocol

1. デバイスの製造

注: 図 1 は、A-Si:H メタサーフェス17の製造プロセスを示しています。

  1. フィラシリカウエハピース(サイズ=2cm×2cm、厚み=500μm)を基板として用意します。アセトンとイソプロピルアルコール(IPA)で基板をリンスし、それを乾燥させるために基板上に窒素ガスを吹き付けます。
  2. 380 nm厚いa-Si:H膜を、プラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)を使用して、次の設定で堆積します: チャンバー温度 = 300 °C;無線周波数電力 = 800 W;ガス流量 = SiH4の場合は 10 sccm、H2 の場合は 75 sccm、2プロセス圧力 = 25 mTorr;時間 = 30 s.
  3. 電子ビームリソグラフィフォトレジストをスピンコートします。ポリメチルメタクリレート(PMMA)A2を基板にドロップし、回転速度2,000 rpmで1分間スピンコートします。
  4. 180°Cのホットプレートでレジストコーティングされた基板を5分間焼きます。
  5. 電子ビーム書き込みプロセス中の電荷蓄積を防止するために、導電性ポリマー層をスピンコートします。導電性ポリマー(例えば、エスパーサー)を基板にドロップし、回転速度2,000rpmでスピンコートを1分間落とします。
  6. 80kVの加速電圧と50pAの電流で電子ビームリソグラフィを実行します。
  7. 試料を脱イオン(DI)水に2分間浸漬し、導電性ポリマー層を除去します。サンプルを1:3メチルイソブチルケトン(MIBK):12分間のアイスカップで囲まれたIPA溶液を浸し、露出パターンを現像します。次に、サンプルを30 sのIPAでリンスします。
  8. eビームエバポレーターを用いて30nm厚クロム(Cr)フィルムを付着する。
  9. サンプルをアセトンに浸して、未露光フォトレジスト層を除去し、Crパターンを基板に移します。40 kHzで1分間ソニッケートし、30 sのIPAですすいでください。
  10. 500 Wの電源を持つドライエッチャーを使用してCrパターンをa-Si:H層に移すために、発見されたa-Si:H層をエッチングし、100Vのバイアス、Cl2 の場合は80 sccmのガス流量、HBrの場合は120 sccmのガス流量を使用します。
  11. Crエッチ液にサンプルを浸し、Crエッチマスクを除去します。次に、サンプルをアセトン、IPA、DI水でそれぞれ30sで順次リンスします。

2. 走査型電子顕微鏡特性

  1. 電子ビーム走査プロセス中の電荷蓄積を防止するために、導電性ポリマー層をスピンコートする。導電性ポリマーを基板にドロップし、回転速度2,000rpmでスピンコートを1分間落とします。
  2. カーボンテープを使用して、基板をサンプルホルダーに固定します。 AIR ボタンを押して、ロードロックチャンバーを通気します。
  3. ホルダーをロードロック室の保持棒に置きます。 EVAC ボタンを押して、ロードロックチャンバーを退出します。
  4. Zセンサーを8mm、Tセンサーを0°に設定して、ステージ高さと傾斜角度を設定します。
  5. OPENボタンを押して、ロードロック室のドアを きます。ホールディングロッドを押して、ホールダーをメイン走査型電子顕微鏡(SEM)チャンバーに移します。ロッドを引き出し 、CLOSE ボタンを押します。
  6. 電子銃をオンにする前に真空状態を確認してください。 点滅 ボタンを押して、瞬時に高電圧で電子銃のカーボンや埃を除去することで、点滅機能を実行します。
  7. SEMソフトウェアの ON ボタンをクリックして、加速電圧5kVの電子銃をオンにします。
  8. ソフトウェアの BEAM アライメント パネルをクリックして、電子ビームを中心位置に正確に配置するように 、ビームアライメント を調整します。ステージ コントローラを使用して、中心にある梁を配置します。
  9. ソフトウェアの APERTURE アライメント パネルをクリックして、アパーチャーの位置合わせとスティグマの位置合わせを調整して、円形の電子ビームを作成します。スティグマコントローラを使用して、安定したビームを作って同じ場所でスキャンします。
  10. 適切なフォーカスとスティグマ調整で SEM 画像をキャプチャします。
  11. ソフトウェアの OFF ボタンをクリックして電子線をオフにします。 HOME ボタンをクリックして、ステージを元の位置に戻します。
  12. メインチャンバーのドアを開け、ロッドを押してサンプルホルダーを拾います。 AIR ボタンを押してロードロックチャンバーを通し、ホルダーをアンロードします。
  13. サンプルをDI水でリンスし、導電性ポリマー層を除去します。

スピン多重化メタホログラムの光学的特徴付け

  1. 「材料表」に記載されている光学部品を準備します。
  2. ダイオードレーザーモジュールを、1インチの光マウントに接続できるアダプタに取り付けます。ポストとポストホルダーを使用してダイオードレーザーの高さを調整し、クランプを使用して位置を固定します。
    注:すべての光学部品は、ポストとポストホルダーを使用して取り付け、クランプを使用して位置に固定する必要があります。
  3. 1インチの回転マウントを使用して半波プレートを組み立て、レーザーモジュールの前面にプレートを置き、直線偏光を回転させます。
  4. 1インチのキネマティックマウントに2つのミラーを取り付け、1枚のアライメントディスクを取り付けて、初期ビームの方向を揃えます。
    1. レーザーの前に位置合わせディスクを配置し、高さを設定します。2 つのミラーを配置して、梁がそれぞれ 90° で 2 回曲がり、方向を交互に配置します。
    2. 2番目のミラーの近くに位置付けディスクを配置し、ノブを回転して中心のライトを揃えて最初のミラーの角度を調整します。
    3. 2番目のミラーから遠く位置合わせディスクを配置し、ノブを回転して中心のライトを揃えて、2番目のミラーの角度を調整します。
    4. ライトが両方の場所で位置合わせディスクの中心を通過するまで、ステップ 3.4.2 と 3.4.3 を繰り返します。
  5. ミラーの背後にニュートラル密度フィルタを配置して、光の強度をコントロールします。中性密度フィルターの後ろに虹彩を置き、入射光の直径を制御します。
  6. 円偏光を作るためには、虹彩の後ろに直線偏光板と4分の1の波板を置きます。各コンポーネントを独自の回転マウントにマウントします。
  7. 加工したメタサーフェスを穴のあるプレートに取り付け、矩形光学用のXY変換マウントにプレートを取り付けます。サンプル内のパターンに光が向くように、XY 変換マウントを調整します。
  8. メタサーフェスの後にレンズを配置します。焦点距離に配置するレンズの位置を調整します。レンズの後に CCD を配置して、ホログラム画像をキャプチャします。

4. 多重化メタホログラムの光学的特徴付け

  1. 2つのビームスプリッター、2つのミラー、レンズ、CCDを準備します。
    注: この設定は、コンポーネントを追加することで、スピン多重化メタホログラムの設定から構築できます。
  2. 4 分の 1 の波プレートと XY 変換マウントの間にビーム スプリッタを配置して、ビームを 2 方向に分割します。XY 変換マウントとレンズの間に別のビームスプリッタを配置します。
    注: 1 つのビーム パスは、以前のスピン多重化メタホログラム設定と同じです。ここでは、別の分割ビームが、前の設定とは反対方向にサンプルを照らすように位置合わせされます。
  3. 2 つのミラーを配置して、ビームがそれぞれ 90° で 2 回曲がって方向を交互に形成し、2 番目のビーム スプリッターに向けられる梁を調整します。光が光を細かく揃えて、ビームがサンプルを正しく照射するように反対方向に照射します。
  4. 最初のビームスプリッターの右側に 90° の別のレンズを配置し、CCD を配置して、反対方向からホログラム画像をキャプチャします。

Representative Results

a-Si:H メタサーフェスは、高いクロス偏光効率を可能にし、CMOSと互換性のある方法(図1)を使用して製造することができます。この特性は、スケーラブルな製造と近い将来の商品化を可能にする可能性があります。SEM 画像は、製造された A-Si:H メタサーフェスを示しています (図 2)。さらに、a-Si:HはTiO2やGaNよりも大きな2 屈折率を有するため、4.7程度の低アスペクト比ナノ構造でも、高い回折効率を持つA-SiHメタホログラムを実現できる。633 nm波長で算出した効率は74%、測定効率は61%であった。

スピン多重化メタホログラムは、入射した円偏光の手渡しを単に反転させることで、投影されたホログラフィック画像を切り替えることができます(図3a)。このようなスピン多重化メタホログラムを設計するために、2種類のメタサーフェスが使用されました。光が左または右に円偏光されているかどうかによって異なる応答を生成できます。ゲルヒベルク-サクストンアルゴリズムは、オフ軸ホログラフィック画像に対応する位相マップを計算するために使用されました。その結果、入力ビーム偏光状態に応じて、'ITU'と'RHO'ホログラフィック画像(図3c-e)は、高忠実度でリアルタイムで切り替えることができます。

方向多重化メタホログラムは、入射光方向を変更することで、投影されたホログラフィック画像を切り替えることができます(図4a)。例えば、光が基板側(前方方向)から入ってくる場合、ホログラフィック'RHO'画像(図4b、d)を観察dすることができ、また、光がメタサーフェス側(後方方向)から来る場合、ホログラフィック'ITU'画像が見える(図4c、e)。e両方向に動作するホログラム装置は、情報を送信できる領域を拡張し、観察者の位置に応じて異なる視覚情報を送受信するという利点を有する。

Figure 1
図1:a-Si:Hメタサーフェス製作のフローチャート。 製造は両面研磨された融合シリカ基板から始まります。PECVDを使用して、380 nm厚いa-Si:Hを堆積させ、続いて電子ビームレジスト、PMMA A2のスピンコーティングを続ける。電子ビームリソグラフィ(EBL)スキャンは、レジストにナノロッドパターンを描画し、Crリフトオフプロセスによってa-Si:H層に転送されます。ドライエッチングプロセスはCrパターンをa-Si:H層に移し、次にCrエッチマスクをCrエッチャントを使用して除去する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:製造されたデバイスのSEM画像。 380 nm 厚さ a-Si:H メタサーフェスの SEM 画像の傾斜図が表示されます。エッチングプロセス中に、斜めの側面プロファイルが発生しました。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: スピン多重化メタホログラム。(a) 提案されたスピン多重化メタホログラムの動作の概略。(b)光学顕微鏡およびSEM画像。加工されたメタホログラムデバイスの合計サイズは400 μm x 400 μmです。単一のナノロッドは、200 nmの長さ、80 nmの幅、および380 nmの高さを有する。(c) 633 nmの波長で動作する左円偏光を用いて、実験的に「ITU」ホログラフィック画像を得た。(d) CCDカメラで撮影した右円偏光を用いた「RHO」ホログラフィック画像を実験的に取得した。(e) 楕円偏光を用いて両方のホログラフィック画像を実験的に得た。この図はアンサリら13.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:方向多重化メタホログラム。(a) 提案された方向多重化メタホログラムの動作の概略。(b,c)フレネル型メタホログラム有限異なる時間領域シミュレーション結果。前方および後方方向に照らされた左円偏光。(d,e)CCDカメラで撮影したホログラフィック画像を実験的に取得。この図はアンサリら16.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

a-Si:Hのメタサーフェスは、PECVDを用いたa-Si:H薄膜堆積、精密EBL、ドライエッチングの3つの主要なステップで製造されました。これらのステップの中で、EBLの書き込みプロセスが最も重要です。まず、メタサーフェスのパターン密度が非常に高いため、電子線量(エネルギー)や単位面積あたりのドット数などの走査パラメータを正確に制御する必要があります。開発条件も慎重に選択する必要があります。パターンの密度は非常に高いので、開発プロセスが瞬時に行われると、ナノロッド状のパターンはうまく定義されず、互いに接続されます。この問題を回避し、フォトレジストの適切な負のスロップを提供するために、容易なリフトオフを可能にし、2−4°Cで開発プロセスを行うコールド開発技術を用いた。 さらに、開発液中の分子量と溶解度が異なる2種類のレジストが使用される、容易なリフトオフプロセスに二層レジスト法を用いることができる。さらに、エッチングプロセス中の側壁プロファイルは、エッチングプロセスを調整することによって、できるだけ90°に近づけるべきです。

加工されたメタサーフェスのSEMと光学的特性は厳密に行われるべきである。製造された構造のSEM画像を観察することにより、正確な幾何学的パラメータと側面壁プロファイルをチェックして、メタホログラムの効率を予測する必要があります。光学実験のために、高品質のホログラフィック画像を生成し、取得するために、入射レーザービームの形状と焦点を正確に調整する必要があります。したがって、光学部品は互いにうまく整列し、レンズの焦点距離や偏光子と波板の角度などのコンポーネント仕様に従って適切に配置する必要があります。

本研究では、スピンおよび方向多重化メタホログラムの詳細な作製法と特性評価方法を紹介した。単層のメタサーフェス上の機能の数を増やすことは、メタサーフェスのアプリケーションを拡張する場合に便利な手法です。しかし同時に、リアルタイムで課される多様な機能を変えることができる能動関数も研究する必要がある。本実験では、偏光子角や光学部品の変化などの受動法を用いてホログラフィック画像を切り替えた。しかしながら、相変化材料や液晶などの活物質系が多機能メタホログラムと組み合わされた場合、ホログラフィックビデオディスプレイおよびメタホログラムによる偽造防止表示技術は、近い将来18で製品化され得る。さらに、高度なナノインプリンティング法は、メタホログラムデバイスのスケーラブルな製造に大きな助けとなります。19 また、波長分離メタサーフェス設計方法論などの新しい設計方法論により、フルカラーホログラムデバイスが可能になります。20

Disclosures

なし。

Acknowledgments

この研究は、韓国政府の科学・ICT省が資金を提供する国立研究財団(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2019R1A5A8080290)によって財政的に支援されました。I.K.は、韓国政府の文部省が出資するNRFグローバルPhDフェローシップ(NRF-2016H1A1A1906519)を認めています。

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

  1. Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science. 349, (6254), 1310-1314 (2015).
  2. Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455, (7211), 376-379 (2008).
  3. Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light. Nanophotonics. 7, (11), 1827-1833 (2018).
  4. Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7, (4), 1801070 (2019).
  5. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10, (4), 308-312 (2015).
  6. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352, (6290), 1190-1194 (2016).
  7. Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7, (1), 63 (2018).
  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10, (38), 18323-18330 (2018).
  9. Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113, (38), 10473-10478 (2016).
  10. Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17, (10), 6345-6352 (2017).
  11. Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11, (9), 9382-9389 (2017).
  12. Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Physical Review Letters. 118, (11), 113901 (2017).
  13. Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13, (5), 1900065 (2019).
  14. Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10, (1), 1-8 (2019).
  15. Kamali, S. M., et al. Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles. Physical Review X. 7, (4), 041056 (2017).
  16. Ansari, M. A., et al. Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons. 5, (1), 57-64 (2020).
  17. Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066 (2019).
  18. Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5, (10), 3876 (2018).
  19. Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11, (29), 26109-26115 (2019).
  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).
スピン多重化および方向多重化全誘電体可視メタホログラムの実証
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter