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Engineering

Demonstração de Metahologramas visíveis all-dielectric all-dielectric de spin-multiplexed e de direção

doi: 10.3791/61334 Published: September 25, 2020

Summary

Apresentamos um protocolo para fabricação de metahologramas visíveis de spin e direção multiplexada e, em seguida, realizamos um experimento óptico para verificar sua função. Esses metahologramas podem visualizar facilmente informações codificadas, para que possam ser usadas para exibição volutiva projetiva e criptografia de informações.

Abstract

A técnica óptica de holografia realizada por metasuperfícies surgiu como uma nova abordagem para exibição volutiva projetiva e exibição de criptografia de informações na forma de dispositivos ópticos ultrathin e quase planos. Comparado à técnica holográfica convencional com moduladores de luz espacial, o metaholograma tem inúmeras vantagens como miniaturização da configuração óptica, maior resolução de imagem e maior campo de visibilidade para imagens holográficas. Aqui, é relatado um protocolo para a fabricação e caracterização óptica de metahologramas ópticos sensíveis ao giro e à direção da luz incidente. As metasuperfícies são compostas de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), que possui grande índice de refração e pequeno coeficiente de extinção em toda a faixa visível, resultando em alta transmissão e eficiência de difração. O dispositivo produz diferentes imagens holográficas quando o giro ou direção da luz incidente são comutadas. Portanto, eles podem codificar vários tipos de informações visuais simultaneamente. O protocolo de fabricação consiste em deposição de filme, escrita de feixe de elétrons e gravação subsequente. O dispositivo fabricado pode ser caracterizado usando uma configuração óptica personalizada que consiste em um laser, um polarizador linear, uma placa de onda de quarto, uma lente e um dispositivo acoplado por carga (CCD).

Introduction

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Metasuperfícies ópticas compostas por nanoestruturas de comprimento de onda sub-ondas permitiram muitos fenômenos ópticos interessantes, incluindo camuflagem óptica1,refração negativa2,absorção perfeita de luz3,filtragem de cores4,projeção de imagem holográfica5e manipulação de feixe6,,7,,8. Metasuperfícies ópticas que tenham dispersores apropriadamente projetados podem modular o espectro, a frente de onda e a polarização da luz. As metásperas ópticas primitivas foram fabricadas principalmente usando metais nobres (por exemplo, Au, Ag) devido à sua alta reflexividade e facilidade de nanofabaça, mas eles têm altas perdas ohmic, de modo que as metasuperfísulas têm baixa eficiência em comprimentos de onda visíveis curtos.

O desenvolvimento de técnicas de nanofabricação para materiais dielétricos que têm baixas perdas em luz visível (por exemplo, TiO29, GaN10e a-Si:H11) possibilitou a realização de dispositivos ópticos planos altamente eficientes com metasuperfícies ópticas. Esses dispositivos possuem aplicações em óptica e engenharia. Uma aplicação intrigante é a holografia óptica para exibição volutiva projetiva e criptografia de informações. Comparado aos hologramas convencionais que usam moduladores de luz espacial, o metaholograma tem inúmeras vantagens, como miniaturização da configuração óptica, maior resolução de imagens holográficas e maior campo de visibilidade.

Recentemente, a codificação de múltiplas informações holográficas em um dispositivo metaholograma de camada única foi alcançada. Exemplos incluem metahologramas que são multiplexados no giro12,,13, momento angular orbital14,ângulo de luz incidente15e direção16. Esses esforços superaram a deficiência crítica dos metahologramas, que é a falta de liberdade de design em um único dispositivo. A maioria dos metahologramas convencionais só poderia produzir imagens holográficas codificadas únicas, mas o dispositivo multiplexado pode codificar várias imagens holográficas em tempo real. Assim, o metaholograma multiplexado é uma plataforma de solução crucial para a exibição de vídeo holográfica real ou hologramas anti-contagem multifuncionais.

Relatados aqui estão protocolos para fabricar metahologramas visíveis totalmente dielétricos de spin e direção multiplexados, em seguida, para caracterizá-los opticamente13,16. Para codificar múltiplas informações visuais em um único dispositivo metasurface, são projetados metahologramas que mostram duas imagens holográficas diferentes quando o giro ou direção da luz incidente são alteradas. Para fabricar imagens holográficas altamente eficientes de uma maneira comparável com a tecnologia CMOS, a-Si:H é usado para as metásperas e ressonâncias magnéticas duplas e ressonâncias antiferrommagnéticas induzidas dentro delas são exploradas. O protocolo de fabricação consiste em deposição de filme, escrita de feixe de elétrons e gravura. O dispositivo fabricado é caracterizado por uma configuração óptica personalizada composta por um laser, um polarizador linear, uma placa de onda de quarto, uma lente e um dispositivo acoplado por carga (CCD).

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Protocol

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1. Fabricação de dispositivos

NOTA: A Figura 1 mostra o processo de fabricação de metasuperfícies a-Si:H17.

  1. Prepare uma peça de wafer de sílica fundida (tamanho = 2 cm x 2 cm, espessura = 500 μm) como substrato. Enxágüe o substrato com acetona e álcool isopropílico (IPA) e, em seguida, sopre gás nitrogênio sobre o substrato para secá-lo.
  2. Deposite uma película a-Si:H de 380 nm de espessura no substrato usando a deposição de vapor químico aprimorada por plasma (PECVD) com as seguintes configurações: temperatura da câmara = 300 °C; energia de radiofrequência = 800 W; taxa de fluxo de gás = 10 sccm para SiH4 e 75 sccm para H2; pressão do processo = 25 mTorr; tempo = 30 s.
  3. Gire um fotoresist de litografia de feixe eletrônico. Coloque o methacrilato de polimetila (PMMA) A2 no substrato e spin-coat com uma velocidade de rotação de 2.000 rpm por 1 min.
  4. Asse o substrato revestido de resistência em uma placa quente a 180 °C por 5 min.
  5. Gire uma camada de polímero condutora para evitar o acúmulo de carga durante o processo de escrita do feixe eletrônico. Solte o polímero condutor (por exemplo, Espacer) no substrato e spin-coat com uma velocidade de rotação de 2.000 rpm por 1 min.
  6. Execute a litografia do feixe eletrônico com uma tensão de aceleração de 80 kV e uma corrente de 50 pA.
  7. Mergulhe a amostra em água desionizada (DI) por 2 minutos para remover a camada condutora do polímero. Mergulhe a amostra em 1:3 cetona de isobutilo de metila (MIBK):Solução IPA cercada por um copo gelado por 12 minutos para desenvolver o padrão exposto. Em seguida, enxágue a amostra com IPA para 30 s.
  8. Deposite uma película de cromo de 30 nm de espessura (Cr) usando um evaporador de feixe eletrônico.
  9. Mergulhe a amostra em acetona para remover a camada fotoresistista não exposta e transfira o padrão Cr para o substrato. Sonicate por 1 min a 40 kHz, em seguida, enxágue com IPA para 30 s.
  10. Etch a camada a-Si:H descoberta para transferir o padrão Cr para a camada a-Si:H usando um etcher seco com uma potência de origem de 500 W, viés de 100 V, taxas de fluxo de gás de 80 sccm para Cl2 e 120 sccm para HBr.
  11. Mergulhe a amostra em uma solução de etchant Cr para remover a máscara de etch Cr. Em seguida, enxágue a amostra sequencialmente com acetona, IPA e dI para 30 s, respectivamente.

2. Caracterização do microscópio eletrônico de varredura

  1. Gire uma camada de polímero condutora para evitar o acúmulo de carga durante o processo de varredura do feixe de elétrons. Solte o polímero condutor no substrato e gire a uma velocidade de rotação de 2.000 rpm por 1 min.
  2. Fixar o substrato no suporte de amostra usando fita de carbono. Desfoque a câmara de bloqueio de carga pressionando o botão AIR.
  3. Coloque o suporte na haste de retenção da câmara de bloqueio de carga. Evacue a câmara de bloqueio de carga pressionando o botão EVAC.
  4. Ajuste a altura do palco e o ângulo de inclinação, definindo o sensor Z para 8 mm e o sensor T para 0°.
  5. Abra a porta da câmara de bloqueio de carga pressionando o botão OPEN. Pressione a haste de retenção para transferir o suporte para a câmara principal de microscópio eletrônico de varredura (SEM). Puxe a haste e pressione o botão CLOSE.
  6. Verifique o estado de vácuo antes de ligar a arma eletrônica. Execute a função piscando pressionando o botão FLASHING para remover carbono ou poeira na arma eletrônica com uma alta tensão instantânea.
  7. Ligue a arma eletrônica com uma tensão acelerada de 5 kV clicando no botão ON no software SEM.
  8. Ajuste o alinhamento do feixe para localizar com precisão o feixe de elétrons na posição central clicando no painel ALINHAMENTO DO FEIXE no software. Usando um controlador de palco, localize o feixe no centro.
  9. Ajuste o alinhamento de abertura e o alinhamento do estigma para fazer um feixe de elétrons circulares clicando no painel alinhamento de abertura no software. Usando um controlador de estigma, faça um feixe estável para digitalizar no mesmo local.
  10. Capture imagens SEM com um foco adequado e ajuste estigmatizante.
  11. Desligue o feixe de elétrons clicando no botão OFF no software. Clique no botão HOME para retornar o estágio à sua posição original.
  12. Abra a porta da câmara principal e empurre a haste para pegar o suporte da amostra. Desabasse a câmara de bloqueio de carga pressionando o botão AIR e descarregue o suporte.
  13. Enxágüe a amostra com água DI para remover a camada condutora do polímero.

3. Caracterização óptica do metaholograma de spin-multiplexed

  1. Prepare componentes ópticos listados na Tabela de Materiais.
  2. Conecte o módulo laser de diodo a um adaptador que pode ser conectado a um suporte óptico de 1 polegada. Ajuste a altura do laser do diodo usando um poste e um suporte de poste, e fixe a posição usando um grampo.
    NOTA: Todos os componentes ópticos devem ser montados usando um poste e um suporte de poste e, em seguida, fixados na posição usando um grampo.
  3. Monte a placa de meia onda usando um suporte rotacional de 1 polegada e coloque a placa na frente do módulo laser para girar a luz linearmente polarizada.
  4. Prepare dois espelhos montando-os em montagens cinemáticas de 1 polegada e um disco de alinhamento para alinhar a direção do feixe inicial.
    1. Coloque o disco de alinhamento na frente do laser e ajuste a altura. Coloque os dois espelhos para que o feixe dobre duas vezes a 90° cada um para estar alternando direções.
    2. Coloque o disco de alinhamento perto do segundo espelho e ajuste o ângulo do primeiro espelho girando botões para alinhar a luz no centro.
    3. Coloque o disco de alinhamento longe do segundo espelho e ajuste o ângulo do segundo espelho girando botões para alinhar a luz no centro.
    4. Repita as etapas 3.4.2 e 3.4.3 até que a luz passe pelo centro de um disco de alinhamento em ambos os lugares.
  5. Coloque um filtro de densidade neutra atrás do espelho para controlar a intensidade da luz. Coloque uma íris atrás do filtro de densidade neutra para controlar o diâmetro da luz incidente.
  6. Para fazer uma luz circularmente polarizada, coloque um polarizador linear e uma placa de onda de quarto em ordem atrás da íris. Monte cada componente em sua própria montagem rotacional.
  7. Conecte a metasuperfície fabricada a uma placa com um orifício e monte a placa na montagem de tradução XY para óptica retangular. Ajuste o suporte de tradução XY para que a luz seja direcionada para o padrão da amostra.
  8. Coloque uma lente após a metasuperfície. Ajuste a posição da lente a ser colocada na distância focal. Coloque um CCD após a lente para capturar uma imagem de holograma.

4. Caracterização óptica do metaholograma de direção multiplexada

  1. Prepare dois divisores de feixe, dois espelhos, lente e CCD.
    NOTA: Esta configuração pode ser construída a partir da configuração de metaholograma com multiplexação de spin adicionando componentes adicionais.
  2. Coloque um divisor de feixe entre a placa de quarta-onda e a montagem de tradução XY para dividir o feixe em duas direções. Coloque outro divisor de feixe entre a montagem de tradução XY e a lente.
    NOTA: Um caminho de feixe é o mesmo que a configuração anterior do metaholograma spin-multiplexed. Aqui, outro feixe dividido será alinhado para iluminar uma amostra na direção oposta à configuração anterior.
  3. Coloque dois espelhos para que o feixe dobre duas vezes a 90° cada para formar direções alternadas e ajustar o feixe a ser direcionado para o segundo divisor de raios. Alinhe bem a luz para que o feixe irradie a amostra corretamente na direção oposta.
  4. Coloque outra lente a 90° à direita do primeiro divisor de feixe e coloque um CCD para capturar uma imagem de holograma na direção oposta.

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Representative Results

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As metasuperfícies a-Si:H permitem alta eficiência de polarização cruzada e podem ser fabricadas usando um método (Figura 1) compatível com CMOS; essa característica pode permitir a fabricação escalável e a comercialização em um futuro próximo. A imagem SEM mostra as metasuperfícies fabricadas a-Si:H(Figura 2). Além disso, a-Si:H tem um índice de refração maior que o TiO2 e o GaN, por isso, mesmo com nanoestrutura de proporção baixa de cerca de 4,7, um meta holograma a-SiH com alta eficiência de difração pode ser realizado. A eficiência calculada em comprimento de onda de 633 nm foi de 74% e a eficiência medida foi de 61%.

Um metaholograma de spin-multiplexed pode alternar as imagens holográficas projetadas simplesmente invertendo a mão da luz circularmente polarizada(Figura 3a). Para projetar um metaholograma de spin-multiplexed, foram utilizados dois tipos de metasuperfícies; eles podem produzir respostas diferentes dependendo se a luz está circularmente polarizada à esquerda ou à direita. O algoritmo Gerchberg-Saxton foi usado para calcular um mapa de fase que corresponde às imagens holográficas fora do eixo. Como resultado, dependendo dos estados de polarização do feixe de entrada, as imagens holográficas 'ITU' e 'RHO'(Figura 3c−e) podem ser trocadas em tempo real com alta fidelidade.

Um metaholograma de direção multiplexado pode alternar as imagens holográficas projetadas alterando a direção da luz do incidente(Figura 4a). Por exemplo, se a luz vem do lado do substrato (direção para a frente), as imagens holográficas 'RHO' podem ser observadas(Figura 4b,d), e se a luz vem do lado metasurface (direção para trás), as imagens holográficas 'ITU' podem ser vistas(Figura 4c,e). O dispositivo holograma que opera em ambas as direções tem as vantagens de estender a área em que as informações podem ser transmitidas, e de transmitir e receber diferentes informações visuais de acordo com a posição do observador.

Figure 1
Figura 1: Fluxograma de fabricação de metasuperfície a-Si:H. A fabricação começa com um substrato de sílica fundido de dupla lateral. Utilizando PECVD, 380 nm de espessura a-Si:H é depositado e seguido por spin-coating do e-beam resist, PMMA A2. A litografia do feixe de elétrons (EBL) atrai padrões de nanorod na resistência, que são transferidos para a camada a-Si:H pelo processo de decolagem do Cr. Um processo de gravação seca transfere o padrão Cr para a camada a-Si:H, em seguida, a máscara de etch Cr é removida usando um etchant Cr. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: A imagem SEM do dispositivo fabricado. Uma visão inclinada da imagem SEM de 380 nm de espessura a-Si:H é apresentada. Durante o processo de gravação, ocorreu um perfil inclinado de parede lateral. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Um metaholograma de spin-multiplexed. aaEsquema de operação do metaholograma spin-multiplexed proposto. (b) Microscópio óptico e imagens SEM. O tamanho total do dispositivo metaholograma fabricado é de 400 μm x 400 μm. Um único nanorod tem um comprimento de 200 nm, uma largura de 80 nm, e uma altura de 380 nm. (c) Imagens holográficas obtidas experimentalmente com a polarização circular esquerda trabalhando em um comprimento de onda de 633 nm. ddImagens holográficas 'RHO' obtidas experimentalmente com a polarização circular direita capturada com uma câmera CCD. (e) Obteve experimentalmente ambas as imagens holográficas usando a luz elípticamente polarizada. Este número foi modificado a partir de Ansari et al.13. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Um metaholograma de direção multiplexada. aaEsquema de operação do metaholograma de direção-multiplexado proposto. (b,c) Resultados de simulação de domínio de tempo finito-diferente do tipo fresnel. Uma luz circular esquerda polarizada iluminada nas direções para frente e para trás. (d,e) Imagens holográficas obtidas experimentalmente capturadas com uma câmera CCD. Este número foi modificado a partir de Ansari et al.16. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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As metasuperfícies a-Si:H foram fabricadas em três passos principais: deposição de filme fino a-Si:H usando PECVD, EBL preciso e gravura seca. Entre essas etapas, o processo de escrita da EBL é o mais importante. Primeiro, a densidade padrão em metasuperfícies é bastante alta, de modo que o processo requer controle preciso sobre a dose de elétrons (energia) e parâmetros de varredura, como número de pontos por unidade área. A condição de desenvolvimento também deve ser escolhida cuidadosamente. A densidade do padrão é muito alta, então quando o processo de desenvolvimento é feito instantaneamente, os padrões em forma de nanorod não são bem definidos, mas estão conectados entre si. Para prevenir esse problema e fornecer uma inclinação negativa apropriada do fotoresist, que permite fácil decolagem, foi utilizada uma técnica de desenvolvimento a frio na qual o processo de desenvolvimento é conduzido a 2-4 °C. Além disso, um método de resistência bi-camada pode ser usado para um processo fácil de decolagem, onde dois tipos diferentes de resistências com diferentes pesos moleculares e solubilidade em uma solução de desenvolvimento são usados. Além disso, o perfil da parede lateral durante o processo de gravação deve ser feito o mais próximo possível de 90°, ajustando o processo de gravação.

A SEM e a caracterização óptica das metasuperfícies fabricadas devem ser rigorosamente conduzidas. Observando imagens SEM das estruturas fabricadas, devem ser verificados parâmetros geométricos exatos e perfil de parede lateral para prever a eficiência do metaholograma. Para o experimento óptico, para produzir e obter imagens holográficas de alta qualidade, a forma e o foco do raio laser incidente devem ser ajustados com precisão. Assim, o componente óptico deve estar bem alinhado entre si e devidamente posicionado de acordo com as especificações do componente, como distância focal da lente e ângulo de polarizador e placa de onda.

Neste trabalho, apresentamos um método detalhado de fabricação e caracterização para metahologramas de spin e direção multiplexed. Aumentar o número de funcionalidades em metasuperfície de camada única é uma técnica útil para expandir as aplicações de metasuperfície. Ao mesmo tempo, porém, também devem ser estudadas funções ativas que possam mudar diversas funções impostas em tempo real. Neste experimento, métodos passivos, como a alteração do ângulo polarizador ou componentes ópticos, foram usados para alternar imagens holográficas. No entanto, se sistemas de materiais ativos, como materiais de mudança de fase ou cristais líquidos, forem combinados com o metaholograma multifuncional, a tela de vídeo holográfica e a tecnologia de exibição anticontante com metaholograma podem ser comercializados em um futuro próximo18. Além disso, o método avançado de nanoimimpimpressão será de grande ajuda para a fabricação escalável de dispositivos metahologramas. 19 Além disso, a nova metodologia de design, como a metodologia de design de metasuperfícies de comprimento de onda, permitirá dispositivos hologramas em cores completas. 20

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Disclosures

Nenhum.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado financeiramente pelas bolsas da Fundação Nacional de Pesquisa (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) financiadas pelo Ministério da Ciência e ICT do governo coreano. I.K. reconhece a bolsa de doutorado global da NRF (NRF-2016H1A2A1906519) financiada pelo Ministério da Educação do 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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  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).
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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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