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Engineering

Demostración de metahologramas visibles girados multiplexados y multiplexados por dirección

doi: 10.3791/61334 Published: September 25, 2020

Summary

Presentamos un protocolo para la fabricación de metahologramas visibles multiplexados por giro y dirección, y luego llevamos a cabo un experimento óptico para verificar su función. Estos metahologramas pueden visualizar fácilmente la información codificada, por lo que se pueden utilizar para la visualización volumétrica proyectiva y el cifrado de información.

Abstract

La técnica de holografía óptica realizada por metasurfaces ha surgido como un enfoque novedoso para la visualización volumétrica proyectiva y la visualización de cifrado de información en forma de dispositivos ópticos ultrafinos y casi planos. En comparación con la técnica holográfica convencional con moduladores de luz espacial, el metaholograma tiene numerosas ventajas como la miniaturización de la configuración óptica, una mayor resolución de imagen y un mayor campo de visibilidad para imágenes holográficas. Aquí, se informa de un protocolo para la fabricación y caracterización óptica de metahologramas ópticos que son sensibles al giro y la dirección de la luz incidente. Las metasuperficies están compuestas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), que tiene un gran índice de refracción y un pequeño coeficiente de extinción en todo el rango visible, lo que resulta en una alta transmitancia y eficiencia de difracción. El dispositivo produce diferentes imágenes holográficas cuando se cambia el giro o la dirección de la luz incidente. Por lo tanto, pueden codificar varios tipos de información visual simultáneamente. El protocolo de fabricación consiste en la deposición de película, escritura de haz de electrones y posterior grabado. El dispositivo fabricado se puede caracterizar mediante una configuración óptica personalizada que consta de un láser, un polarizador lineal, una placa de un cuarto de onda, una lente y un dispositivo acoplado a la carga (CCD).

Introduction

Las metasuperficies ópticas compuestas de nanoestructuras de sub-longitud de onda han permitido muchos fenómenos ópticos interesantes, incluyendo la ocultación óptica1, refracción negativa2, absorción de luz perfecta3, filtrado de color4, proyección de imagen holográfica5, y la manipulación de haz6,7,8. Las metasuperficies ópticas que tienen dispersores adecuadamente diseñados pueden modular el espectro, el frente de onda y la polarización de la luz. Las primeras metasuperficies ópticas se fabricaron principalmente utilizando metales nobles (por ejemplo, Au, Ag) debido a su alta reflectividad y facilidad de nanofabricación, pero tienen altas pérdidas ohmicas, por lo que las metasuperficies tienen baja eficiencia en longitudes de onda visibles cortas.

El desarrollo de técnicas de nanofabricación para materiales dieléctricos que tienen bajas pérdidas en la luz visible (por ejemplo, TiO29,GaN10y a-Si:H11)ha permitido la realización de dispositivos ópticos planos altamente eficientes con metasuperficies ópticas. Estos dispositivos tienen aplicaciones en óptica e ingeniería. Una aplicación intrigante es la holografía óptica para la visualización volumétrica proyectiva y el cifrado de información. En comparación con los hologramas convencionales que utilizan moduladores de luz espacial, el metaholograma tiene numerosas ventajas como la miniaturización de la configuración óptica, una mayor resolución de las imágenes holográficas y un mayor campo de visibilidad.

Recientemente, se ha logrado la codificación de múltiples informaciones holográficas en un dispositivo metaholograma de una sola capa. Algunos ejemplos son los metahologramas multiplexados en el giro12,,13, el momento angular orbital14,el ángulo de luz incidente15y la dirección16. Estos esfuerzos han superado la deficiencia crítica de los metahologramas, que es la falta de libertad de diseño en un solo dispositivo. La mayoría de los metahologramas convencionales solo podían producir imágenes holográficas codificadas, pero el dispositivo multiplexado puede codificar varias imágenes holográficas en tiempo real. Por lo tanto, el metaholograma multiplexado es una plataforma de solución crucial hacia la visualización de vídeo holográfico real o hologramas multifuncionales anticounterfeiting.

Aquí se informa que aquí hay protocolos para fabricar metahologramas visibles multiplexados por giro y dirección, y luego para caracterizarlos ópticamente13,,16. Para codificar información visual múltiple en un solo dispositivo de metasuperficie, se diseñan metahologramas que muestran dos imágenes holográficas diferentes cuando se cambia el giro o la dirección de la luz incidente. Para fabricar imágenes holográficas altamente eficientes de una manera comparable con la tecnología CMOS, a-Si:H se utiliza para las metasuperficies y se explotan las resonancias magnéticas duales y las resonancias antiferromagneticas inducidas en su interior. El protocolo de fabricación consiste en la deposición de película, escritura de haz de electrones y grabado. El dispositivo fabricado se caracteriza por una configuración óptica personalizada compuesta por un láser, un polarizador lineal, una placa de un cuarto de onda, una lente y un dispositivo acoplado a la carga (CCD).

Protocol

1. Fabricación de dispositivos

NOTA: La Figura 1 muestra el proceso de fabricación de a-Si:H metasurfaces17.

  1. Preparar una pieza de oblea de sílice fundida (tamaño 2 cm x 2 cm, espesor de 500 m) como sustrato. Enjuague el sustrato con acetona y alcohol isopropílico (IPA) y luego sople gas nitrógeno sobre el sustrato para secarlo.
  2. Depositar una película a-Si:H de 380 nm de espesor en el sustrato utilizando la deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD) con los siguientes ajustes: temperatura de la cámara a 300 oC; potencia de radiofrecuencia 800 W; caudal de gas de 10 sccm para SiH4 y 75 sccm para H2; presión del proceso de 25 mTorr; tiempo 30 s.
  3. Spin-coat un fotorresista de litografía de haz electrónico. Suelte el metacrilato de polimetil (PMMA) A2 sobre el sustrato y la capa de centrifugado con una velocidad de rotación de 2.000 rpm durante 1 min.
  4. Hornee el sustrato recubierto con resistencia sobre una placa de cocción a 180 oC durante 5 min.
  5. Recubrir una capa de polímero conductor para evitar la acumulación de carga durante el proceso de escritura de haz electrónico. Suelte el polímero conductor (por ejemplo, Espacer) sobre el sustrato y la capa de centrifugado con una velocidad de rotación de 2.000 rpm durante 1 min.
  6. Ejecute la litografía del haz electrónico con una tensión de aceleración de 80 kV y una corriente de 50 pA.
  7. Sumerja la muestra en agua desionizada (DI) durante 2 minutos para eliminar la capa de polímero conductor. Sumergir la muestra en 1:3 metil isobutilo cetona (MIBK):Solución IPA rodeada por una taza helada durante 12 min para desarrollar el patrón expuesto. A continuación, enjuague la muestra con IPA durante 30 s.
  8. Deposite una película de cromo (Cr) de 30 nm de espesor utilizando un evaporador de haz electrónico.
  9. Sumerja la muestra en acetona para eliminar la capa fotorresista noexpuesta y transferir el patrón Cr al sustrato. Sonicar durante 1 min a 40 kHz, luego enjuagar con IPA durante 30 s.
  10. Etch la capa a-Si:H descubierta para transferir el patrón Cr a la capa a-Si:H usando un grabador seco con una potencia de fuente de 500 W, sesgo de 100 V, caudales de gas de 80 sccm para Cl2 y 120 sccm para HBr.
  11. Sumerja la muestra en una solución de etchant Cr para quitar la máscara de etch Cr. A continuación, enjuague la muestra secuencialmente con agua acetona, IPA y DI durante 30 s, respectivamente.

2. Caracterización del microscopio electrónico de barrido

  1. Spin-coat una capa de polímero conductor para evitar la acumulación de carga durante el proceso de escaneo de haz de electrones. Suelte el polímero conductor sobre el sustrato y la capa de centrifugado a una velocidad de rotación de 2.000 rpm durante 1 min.
  2. Fije el sustrato en el soporte de la muestra con cinta adhesiva de carbono. Ventile la cámara de bloqueo de carga pulsando el botón AIR.
  3. Coloque el soporte en la varilla de sujeción de la cámara de bloqueo de carga. Evacúe la cámara de bloqueo de carga pulsando el botón EVAC.
  4. Ajuste la altura del escenario y el ángulo de inclinación ajustando el sensor Z a 8 mm y el sensor T a 0o.
  5. Abra la puerta de la cámara de bloqueo de carga pulsando el botón OPEN. Presione la barra de sujeción para transferir el soporte a la cámara principal del microscopio electrónico de barrido (SEM). Tire de la varilla y pulse el botón CLOSE.
  6. Compruebe el estado de vacío antes de encender la pistola de electrones. Ejecute la función de parpadeo pulsando el botón FLASHING para eliminar el carbono o el polvo en la pistola de electrones con un alto voltaje instantáneo.
  7. Encienda la pistola de electrones con un voltaje de aceleración de 5 kV haciendo clic en el botón ON en el software SEM.
  8. Ajuste la alineación del haz para localizar con precisión el haz de electrones en la posición central haciendo clic en el panel BEAM ALIGNMENT del software. Con un controlador de escenario, localice la viga en el centro.
  9. Ajuste la alineación de apertura y la alineación del estigma para hacer un haz de electrones circular haciendo clic en el panel APERTURE ALIGNMENT del software. Usando un controlador de estigma, haz un haz estable para escanear en el mismo lugar.
  10. Capture imágenes SEM con un enfoque adecuado y un ajuste del estigma.
  11. Apague el haz de electrones haciendo clic en el botón OFF del software. Haga clic en el botón HOME para devolver el escenario a su posición original.
  12. Abra la puerta de la cámara principal y empuje la varilla para recoger el soporte de la muestra. Ventile la cámara de bloqueo de carga pulsando el botón AIR y, a continuación, descargue el soporte.
  13. Enjuague la muestra con agua DI para eliminar la capa de polímero conductor.

3. Caracterización óptica del metaholograma multiplexado por espín

  1. Prepare los componentes ópticos enumerados en Tabla de materiales.
  2. Conecte el módulo láser de diodo a un adaptador que se pueda conectar a un soporte óptico de 1 pulgada. Ajuste la altura del láser de diodo utilizando un poste y un soporte de poste, y fije la posición mediante una abrazadera.
    NOTA: Cada componente óptico debe montarse con un poste y un soporte para postes, y luego fijarse en su posición mediante una abrazadera.
  3. Ensamble la placa de media onda utilizando un soporte rotacional de 1 pulgada y, a continuación, coloque la placa delante del módulo láser para girar la luz polarizada linealmente.
  4. Prepare dos espejos montándolos en soportes cinemáticos de 1 pulgada y un disco de alineación para alinear la dirección de la viga inicial.
    1. Coloque el disco de alineación delante del láser y ajuste la altura. Coloque los dos espejos de modo que la viga se doblete dos veces a 90o cada uno para que sean direcciones alternas.
    2. Coloque el disco de alineación cerca del segundo espejo y ajuste el ángulo del primer espejo girando las perillas para alinear la luz en el centro.
    3. Coloque el disco de alineación lejos del segundo espejo y ajuste el ángulo del segundo espejo girando las perillas para alinear la luz en el centro.
    4. Repita los pasos 3.4.2 y 3.4.3 hasta que la luz pase por el centro de un disco de alineación en ambos lugares.
  5. Coloque un filtro de densidad neutra detrás del espejo para controlar la intensidad de la luz. Coloque un iris detrás del filtro de densidad neutra para controlar el diámetro de la luz incidente.
  6. Para hacer una luz polarizada circularmente, coloque un polarizador lineal y una placa de cuarto de onda en orden detrás del iris. Monte cada componente en su propio soporte rotacional.
  7. Fije la metasuperficie fabricada a una placa con un orificio y monte la placa en el soporte de traducción XY para óptica rectangular. Ajuste el soporte de traducción XY para que la luz se dirija al patrón de la muestra.
  8. Coloque una lente después de la metasuperficie. Ajuste la posición de la lente que se colocará en la distancia focal. Coloque un CCD después de la lente para capturar una imagen de holograma.

4. Caracterización óptica del metaholograma multiplexado por dirección

  1. Prepare dos divisores de haz, dos espejos, lente y CCD.
    NOTA: Esta configuración se puede crear a partir de la configuración del metaholograma multiplexado por giro mediante la adición de componentes adicionales.
  2. Coloque un divisor de viga entre la placa de cuarto de onda y el soporte de traslación XY para dividir la viga en dos direcciones. Coloque otro divisor de haz entre el soporte de traducción XY y la lente.
    NOTA: Una trayectoria de viga es la misma que la configuración anterior del metaholograma multiplexado por giro. Aquí, otra viga dividida se alineará para iluminar una muestra en la dirección opuesta a la configuración anterior.
  3. Coloque dos espejos de modo que la viga se doblete dos veces a 90o cada uno para formar direcciones alternas y ajustar la viga que se dirigirá al segundo divisor de viga. Alinee finamente la luz para que el haz irradia la muestra correctamente en la dirección opuesta.
  4. Coloque otra lente a 90o a la derecha del primer divisor de haz y coloque un CCD para capturar una imagen de holograma desde la dirección opuesta.

Representative Results

Las metasuperficies a-Si:H permiten una alta eficiencia de polarización cruzada y se pueden fabricar utilizando un método (Figura 1) que es compatible con CMOS; este rasgo puede permitir la fabricación escalable y la comercialización casi futura. La imagen SEM muestra las metasuperficies a-Si:H fabricadas (Figura 2). Además, a-Si:H tiene un índice de refracción más grande que TiO2 y GaN, por lo que incluso con nanoestructura de baja relación de aspecto de alrededor de 4,7, se puede realizar un meta holograma a-SiH con alta eficiencia de difracción. La eficiencia calculada a 633 nm de longitud de onda fue del 74% y la eficiencia medida fue del 61%.

Un metaholograma girado-multiplexado puede cambiar las imágenes holográficas proyectadas simplemente volteando la mano de la luz polarizada circularmente del incidente (Figura 3a). Para diseñar un metaholograma con un spin-multiplexed, se utilizaron dos tipos de metasuperficies; pueden producir diferentes respuestas dependiendo de si la luz está polarizada circularmente hacia la izquierda o hacia la derecha. El algoritmo Gerchberg-Saxton se utilizó para calcular un mapa de fases que corresponde a las imágenes holográficas fuera del eje. Como resultado, dependiendo de los estados de polarización del haz de entrada, las imágenes holográficas 'ITU' y 'RHO' (Figura 3c-e) se pueden cambiar en tiempo real con alta fidelidad.

Un metaholograma multiplexado por dirección puede cambiar las imágenes holográficas proyectadas cambiando la dirección de la luz incidente (Figura 4a). Por ejemplo, si la luz viene desde el lado del sustrato (dirección hacia adelante), se pueden observar las imágenes holográficas 'RHO'(Figura 4b,d), y si la luz proviene del lado metasuperficie (dirección hacia atrás), se pueden ver las imágenes holográficas de la'UIT' (Figura 4c,e). El dispositivo holograma que opera en ambas direcciones tiene las ventajas de ampliar el área en la que se puede transmitir información, y de transmitir y recibir información visual diferente según la posición del observador.

Figure 1
Figura 1: Diagrama de flujo de la fabricación de metasuperficie a-Si:H. La fabricación comienza con un sustrato de sílice fundida de doble cara pulida. Usando PECVD, a-Si:H de 380 nm de espesor se deposita y seguido por el revestimiento de espín de la resistencia de haz electrónico, PMMA A2. La exploración de litografía de haz de electrones (EBL) dibuja patrones de nanorod en la resistencia, que se transfieren a la capa a-Si:H mediante el proceso de despegue Cr. Un proceso de grabado en seco transfiere el patrón Cr a la capa a-Si:H, luego la máscara de grabado Cr se elimina usando un etchant Cr. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: La imagen SEM del dispositivo fabricado. Se presenta una vista inclinada de la imagen SEM de metasuperficies a-Si:H de 380 nm de espesor. Durante el proceso de grabado, se produjo un perfil de pared lateral inclinado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Un metaholograma multiplexado por espín. (a) Esquema del funcionamiento del metaholograma spin-multiplexed propuesto. (b) Imágenes ópticas del microscopio y seM. El tamaño total del dispositivo de metaholograma fabricado es de 400 m x 400 m. Una sola nanorod tiene una longitud de 200 nm, una anchura de 80 nm y una altura de 380 nm. (c) Imágenes holográficas «UIT» obtenidas experimentalmente con la polarización circular izquierda trabajando a una longitud de onda de 633 nm. (d) Imágenes holográficas 'RHO' obtenidas experimentalmente con la polarización circular derecha capturada con una cámara CCD. (e) Obtención experimental de ambas imágenes holográficas utilizando la luz polarizada elípticamente. Esta cifra fue modificada de Ansari et al.13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Un metaholograma multiplexado por dirección. (a) Esquema del funcionamiento del metaholograma multiplexado por dirección propuesto. (b,c) Resultados de simulación de dominio de tiempo de tipo Fresnel. Una luz polarizada circular izquierda iluminada en direcciones hacia adelante y hacia atrás. (d,e) Imágenes holográficas obtenidas experimentalmente capturadas con una cámara CCD. Esta cifra fue modificada de Ansari et al.16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Las metasuperficies a-Si:H se fabricaron en tres pasos principales: deposición de película delgada a-Si:H usando PECVD, EBL preciso y grabado en seco. Entre estos pasos, el proceso de escritura de EBL es el más importante. En primer lugar, la densidad del patrón en las metasuperficies es bastante alta, por lo que el proceso requiere un control preciso sobre la dosis de electrones (energía) y parámetros de escaneo como el número de puntos por área de unidad. La condición de desarrollo también debe elegirse cuidadosamente. La densidad del patrón es muy alta, por lo que cuando el proceso de desarrollo se realiza instantáneamente, los patrones en forma de nanorod no se definen bien, sino que están conectados entre sí. Para prevenir este problema y proporcionar una debida inclinación negativa de fotorresistir, lo que permite un fácil despegue, se utilizó una técnica de desarrollo en frío en la que el proceso de desarrollo se lleva a cabo a 2-4 oC. Además, se puede utilizar un método de resistencia de dos capas para un proceso de despegue fácil, donde se utilizan dos tipos diferentes de resistencias que tienen diferentes pesos moleculares y solubilidad en una solución de desarrollo. Además, el perfil de la pared lateral durante el proceso de grabado debe hacerse lo más cerca posible de 90o ajustando el proceso de grabado.

SeM y la caracterización óptica de las metasuperficies fabricadas deben llevarse a cabo rigurosamente. Al observar las imágenes SEM de las estructuras fabricadas, se deben comprobar los parámetros geométricos exactos y el perfil de pared lateral para predecir la eficiencia del metaholograma. Para el experimento óptico, para producir y obtener imágenes holográficas de alta calidad, la forma y el enfoque del rayo láser incidente deben ajustarse con precisión. Por lo tanto, el componente óptico debe estar bien alineado entre sí y posicionarse correctamente de acuerdo con las especificaciones del componente, como la longitud focal de la lente y el ángulo del polarizador y la placa de onda.

En este trabajo, presentamos un método detallado de fabricación y caracterización para metahologramas multiplexados por giro y dirección. Aumentar el número de funciones en la metasuperficie de una sola capa es una técnica útil para ampliar las aplicaciones de la metasuperficie. Al mismo tiempo, sin embargo, también deben estudiarse las funciones activas que pueden cambiar diversas funciones impuestas en tiempo real. En este experimento, se utilizaron métodos pasivos, como cambiar el ángulo del polarizador o los componentes ópticos, para cambiar imágenes holográficas. Sin embargo, si los sistemas de materiales activos, como materiales de cambio de fase o cristales líquidos, se combinan con el metaholograma multifuncional, la pantalla de vídeo holográfico y la tecnología de visualización antitajerica con metaholograma se pueden comercializar en un futuro próximo18. Además, el método avanzado de nanoimpresión será de gran ayuda para la fabricación escalable de dispositivos de metaholograma. 19 Además, la nueva metodología de diseño, como la metodología de diseño de metasuperficie desacoplada por longitud de onda, permitirá dispositivos de holograma a todo color. 20

Disclosures

Ninguno.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado financieramente por las subvenciones de la National Research Foundation (NRF) (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) financiadas por el Ministerio de Ciencia y TIC del gobierno de Corea. I.K. reconoce la beca NRF Global Ph.D. (NRF-2016H1A2A1906519) financiada por el Ministerio de Educación del gobierno de Corea.

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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