Method Article

Spin-Multiplexed ve Yön-Multiplexed All-Dielectric Görünür Metahologramların Gösterimi

DOI:

10.3791/61334

⸱

September 25th, 2020

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Spin ve yön çok katlı görünür metahologramların imalatı için bir protokol sayılsın, sonra da işlevlerini doğrulamak için optik bir deney gerçekleştiriyoruz. Bu metahologramlar kodlanmış bilgileri kolayca görselleştirebilir, böylece projektif hacimsel ekran ve bilgi şifreleme için kullanılabilirler.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metayüzeyler tarafından gerçekleştirilen optik holografi tekniği, ultra ince ve neredeyse düz optik cihazlar şeklinde projektif hacimsel ekran ve bilgi şifreleme ekranına yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Uzamsal ışık modülatörleri ile geleneksel holografik tekniği ile karşılaştırıldığında, metahologram optik kurulum minyatürleştirme, daha yüksek görüntü çözünürlüğü ve holografik görüntüler için görünürlük daha büyük alan gibi sayısız avantajları vardır. Burada, olay ışığının dönüşüne ve yönüne duyarlı optik metahologramların üretimi ve optik karakterizasyonu için bir protokol bildirilir. Metayüzeyler hidrojene amorf silikon (a-Si:H), büyük kırılma indeksi ve tüm görünür aralıkta küçük yok olma katsayısı yüksek iletim ve kırınım verimliliği ile sonuçlanan oluşur. Cihaz, olay ışığının dönüşü veya yönü değiştirildiğinde farklı holografik görüntüler üretir. Bu nedenle, aynı anda birden çok görsel bilgi türünü kodlayabilirler. Üretim protokolü film birikimi, elektron ışını yazma ve sonraki gravür oluşur. Fabrikasyon cihaz bir lazer, doğrusal polarize, çeyrek dalga plakası, bir lens ve şarj-coupled cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilebilir.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alt dalga boyu nanoyapılardan oluşan optik metayüzeyler optik gizleme 1 dahil olmak üzere birçok ilginç optik fenomenler, sağlamıştır1, negatif kırılma2, mükemmel ışık emme3, renk filtreleme4, holografik görüntü projeksiyon5, ve ışınmanipülasyonu 6,7,8. Uygun şekilde tasarlanmış saçılımörlere sahip optik metayüzeyler, ışığın spektrumunu, dalga cephesini ve polarizasyonunu modüle edebilir. Erken optik metayüzeyler esas olarak asil metaller (örneğin, Au, Ag) yüksek yansıtıcılık ve nanofabrikasyon kolaylığı nedeniyle imal edildi, ancak yüksek Ohmik kayıplarvar, bu yüzden metayüzeyler kısa görünür dalga boylarında düşük verimliliğe sahip.

Görünür ışıkta (örneğin, TiO29, GaN10ve a-Si:H11)düşük kayıplara sahip dielektrik malzemeler için nanofabrikasyon tekniklerinin geliştirilmesi, optik metayüzeylere sahip yüksek verimli düz optik cihazların gerçekleştirilmesini sağlamıştır. Bu cihazların optik ve mühendislik uygulamaları vardır. Bir ilginç uygulama projektif volumetric ekran ve bilgi şifreleme için optik holografi olduğunu. Uzamsal ışık modülatörleri kullanan geleneksel hologramlar ile karşılaştırıldığında, metahologramoptik kurulumun minyatürleştirilmesi, holografik görüntülerin daha yüksek çözünürlüğü ve daha geniş görüş alanı gibi birçok avantaja sahiptir.

Son zamanlarda, tek katmanlı metahologram cihazda birden fazla holografik bilginin kodlanması sağlanmıştır. Örnekler spin12,,13,orbital açısal momentum14,olay ışık açısı15, ve yön16multipleksed metahologramlar içerir. Bu çabalar, tek bir cihazda tasarım özgürlüğü eksikliği olan metahologramların kritik eksikliğinin üstesinden gelmiştir. Çoğu geleneksel metahologram sadece tek kodlanmış holografik görüntü üretebilir, ancak çok katlı aygıt birden fazla holografik görüntüyü gerçek zamanlı olarak kodlayabilir. Bu nedenle, çok katlı metahologram gerçek holografik video ekran veya çok fonksiyonlu antikalperhologramlar doğru önemli bir çözüm platformudur.

Burada bildirilen spin imal protokolleri- ve yön-multiplexed all-dielektrik görünür metahologramlar, sonra optik onları karakterize etmekiçin 13,16. Tek bir metayüzey cihazında birden fazla görsel bilgiyi kodlamak için, olay ışığının dönüşü veya yönü değiştiğinde iki farklı holografik görüntü gösteren metahologramlar tasarlanmıştır. CMOS teknolojisi ile karşılaştırılabilir bir şekilde yüksek verimli holografik görüntüler imal etmek için, a-Si:H metayüzeyler için kullanılır ve çift manyetik rezonanslar ve içlerinde indüklenen antiferromanyetik rezonanslar yararlanılır. Üretim protokolü film birikimi, elektron ışını yazma ve gravür oluşur. Fabrikasyon cihaz bir lazer, doğrusal polarize, çeyrek dalga plakası, bir lens ve şarj-coupled cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Cihaz imalatı

NOT: Şekil 1 a-Si:H metasurfaces17üretim sürecini gösterir.

  1. Erimiş bir silika gofret parçası (boyut = 2 cm x 2 cm, kalınlık = 500 μm) bir substrat olarak hazırlayın. Aseton ve İzopropil alkol (IPA) ile substrat durulayın sonra kurutmak için substrat üzerinde azot gazı darbe.
  2. Plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar birikimi (PECVD) kullanarak substrat üzerine 380 nm kalınlığında a-Si:H film yatırın: oda sıcaklığı = 300 °C; radyo frekans gücü = 800 W; gaz akış hızı = SiH4 için 10 sccm ve H2için 75 sccm; proses basıncı = 25 mTorr; zaman = 30 s.
  3. Spin-coat bir e-ışın litografi fotodirenç. 1 dakika boyunca 2.000 rpm dönme hızı ile substrat ve spin-coat üzerine polimetil metakrilat (PMMA) A2 bırakın.
  4. 180 °C'de bir ocak ta 5 dakika boyunca direndirek kaplı substratpişirin.
  5. Spin-coat e-Kiriş yazma işlemi sırasında şarj birikimini önlemek için iletken bir polimer tabaka. Iletken polimeri (örn. Espacer) 1 dakika boyunca 2.000 rpm dönüş hızıyla substrat ve spin-coat üzerine bırakın.
  6. E-ışın litografisini 80 kV hızlanma gerilimi ve 50 pA'lık bir akımla çalıştırın.
  7. İletken polimer tabakasını çıkarmak için numuneyi 2 dk deiyonize (DI) suya batırın. 1:3 metil izobütil keton (MIBK): IPA çözeltisi 12 dakika için buzlu bir fincan ile çevrili maruz desen geliştirmek için örnek batırın. Daha sonra numuneyi IPA ile 30 s'lik durulayın.
  8. Bir e-ışın evaporatör kullanarak 30 nm kalınlığında krom (Cr) film yatırın.
  9. Pozlanmamış fotodirenç tabakasını çıkarmak için numuneyi aseton'a batırın ve Cr deseni substratüzerine aktarın. Sonicate için 1 dakika 40 kHz, sonra 30 s için IPA ile durulayın.
  10. 500 W kaynak gücüne sahip kuru bir etcher, 100 V, Cl2 için 80 sccm gaz akış hızları ve HBr için 120 sccm gaz akış hızları kullanarak a-Si:H tabakasına Cr deseni aktarmak için ortaya çıkarılan a-Si:H katmanını etch.
  11. Cr etch maskesini çıkarmak için örneği cr etchant çözümüne batırın. Daha sonra numuneyi sırasıyla 30 s için aseton, IPA ve DI suyuyla sırayla durulayın.

2. Taramalı elektron mikroskobu karakterizasyonu

  1. Spin-coat elektron ışını tarama işlemi sırasında yük birikimini önlemek için iletken bir polimer tabaka. 1 dakika boyunca 2.000 rpm dönüş hızında substrat ve spin-coat üzerine iletken polimer bırakın.
  2. Karbon bandı kullanarak substratı numune tutucuya sabitleyin. AIR düğmesine basarak yük kilidi odasını boşaltın.
  3. Tutucuyu yük kilidi odasının tutucu çubuğuna koyun. EVAC düğmesine basarak yük kilidi odasını boşaltın.
  4. Z sensörünü 8 mm'ye, T sensörünü ise 0°'ye ayarlayarak sahne yüksekliğini ve eğim açısını ayarlayın.
  5. OPEN düğmesine basarak yük kilidi odası kapısını açın. Tutucuyu ana taramaelektron mikroskobu (SEM) odasına aktarmak için tutucuya basın. Çubuğu çıkar ve KAPAT düğmesine basın.
  6. Elektron tabancasını açmadan önce vakum durumunu kontrol edin. Bir an yüksek voltaj ile elektron tabancasındaki karbon veya tozu çıkarmak için YANıP sönen düğmeye basarak yanıp sönen işlevi çalıştırın.
  7. SEM yazılımındaki AÇIK düğmesine tıklayarak 5 kV'luk hızlanan voltajla elektron tabancasını açın.
  8. Yazılımdaki BEAM HIZALAMA paneline tıklayarak, elektron ışınının orta konumda tam olarak bulunması için ışın hizasını ayarlayın. Bir sahne denetleyicisi kullanarak, merkezinde kiriş bulun.
  9. Yazılımdaki Diyafram HIZALAMA paneline tıklayarak dairesel bir elektron ışını yapmak için diyafram hizasını ve damgalama hizasını ayarlayın. Bir stigma denetleyicisi kullanarak, aynı noktada taradık için kararlı bir ışın yapın.
  10. Uygun bir odak lama ve damgalayıcı ayarı ile SEM görüntülerini yakalayın.
  11. Yazılımdaki KAPALI düğmesini tıklatarak elektron ışınını kapatın. Sahneyi özgün konumuna döndürmek için HOME düğmesini tıklatın.
  12. Ana haznenin kapısını açın ve örnek tutucuyu almak için çubuğu itin. AIR düğmesine basarak yük kilidi odasını boşaltın, ardından tutucuyu boşaltın.
  13. İletken polimer tabakasını çıkarmak için numuneyi DI suyuyla durulayın.

3. Spin-multiplexed metahologramOptik karakterizasyonu

  1. Malzeme Tablosu'ndalistelenen optik bileşenleri hazırlayın.
  2. Diyot lazer modüllerini 1 inç optik montaja takılabilen bir adaptöre takın. Bir post ve post tutucu kullanarak diyot lazerin yüksekliğini ayarlayın ve bir kelepçe kullanarak konumu düzeltin.
    NOT: Her optik bileşen bir post ve post tutucu kullanılarak monte edilmeli, ardından bir kelepçe kullanılarak pozisyonda sabitlenmelidir.
  3. 1 inç dönme montaj kullanarak yarım dalga plakası monte, sonra doğrusal polarize ışık döndürmek için lazer modülü önünde plaka yerleştirin.
  4. İlk ışın yönünü hizalamak için 1 inç kinematik bağlar ve bir hizalama diski üzerine monte ederek iki ayna hazırlayın.
    1. Hizalama diskini lazerin önüne yerleştirin ve yüksekliği ayarlayın. İki aynayı, kirişin her biri 90° de iki kez bükülerek alternatif yönlere yerleştirin.
    2. Hizalama diskini ikinci aynanın yakınına yerleştirin ve merkezideki ışığı hizalamak için düğümleri döndürerek ilk aynanın açısını ayarlayın.
    3. Hizalama diskini ikinci aynadan uzağa yerleştirin ve ışığı merkezde hizalamak için düğümleri döndürerek ikinci aynanın açısını ayarlayın.
    4. Işık her iki yerde de bir hizalama diskinin merkezinden geçene kadar 3.4.2 ve 3.4.3 adımlarını yineleyin.
  5. Işığın yoğunluğunu kontrol etmek için aynanın arkasına nötr yoğunluk filtresi yerleştirin. Olay ışığının çapını kontrol etmek için nötr yoğunluk filtresinin arkasına bir iris yerleştirin.
  6. Dairesel polarize ışık yapmak için, iris arkasında sırayla doğrusal polarize ve çeyrek dalga plakası yerleştirin. Her bileşeni kendi rotasyonel yuvasına monte edin.
  7. Fabrikasyon metayüzeyi bir deliğe takın ve dikdörtgen optik ler için plakayı XY çeviri yuvasına monte edin. XY çeviri yuvasını, ışığın örnekteki desene yönlendirilen şekilde ayarlayın.
  8. Metasurface sonra bir lens yerleştirin. Odak uzaklığı nda yeralacak lensin konumunu ayarlayın. Hologram görüntüsü yakalamak için lensten sonra bir CCD yerleştirin.

4. Yön çokkatlı metahologramın optik karakterizasyonu

  1. İki Kiriş ayırıcı, iki ayna, lens ve CCD hazırlayın.
    NOT: Bu kurulum, spin-multiplexed metahologram kurulumuek bileşenler ekleyerek oluşturulabilir.
  2. Demeti iki yöne bölmek için çeyrek dalga plakası ve XY çeviri yuvası arasına bir ışın ayırıcı yerleştirin. XY çeviri yuvası ile lens arasına başka bir ışın ayırıcı yerleştirin.
    NOT: Bir ışın yolu önceki spin-multiplexed metahologram kurulumu ile aynıdır. Burada, bir örneği önceki kuruluma ters yönde aydınlatmak için başka bir bölünmüş ışın hizalanır.
  3. İki aynayerleştirin, böylece ışın her biri 90° de iki kez bükülür ve alternatif yönler oluşturacak şekilde ışını ikinci ışın ayırıcısına yönlendirilecek şekilde ayarlayın. Işığı ince bir şekilde hizala, böylece ışın numuneyi ters yönde doğru bir şekilde ışınlatın.
  4. İlk ışın ayırıcısının sağına 90° başka bir lens yerleştirin ve karşı yönden bir hologram görüntüsü yakalamak için bir CCD yerleştirin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

a-Si:H metayüzeyleri yüksek çapraz polarizasyon verimliliği sağlar ve CMOS ile uyumlu bir yöntem(Şekil 1)kullanılarak imal edilebilir; bu özellik ölçeklenebilir üretim ve yakın gelecekte ticarileştirilmesi ni sağlayabilir. SEM görüntüsü, fabrikasyon a-Si:H metasurfacelerini gösterir (Şekil 2). Ayrıca, a-Si:H TiO2 ve GaN daha büyük bir kırılma indisi vardır, bu nedenle yaklaşık 4.7 düşük boy oranı nanoyapı ile bile, yüksek kırınım verimliliği ile bir a...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

a-Si:H metayüzeyleri üç ana adımda üretildi: a-Si:H ince film birikimi PECVD, hassas EBL ve kuru gravür kullanılarak. Bu adımlar arasında en önemli leri EBL yazma sürecidir. İlk olarak, metayüzeylerde desen yoğunluğu oldukça yüksektir, bu nedenle işlem elektron dozu (enerji) ve birim alan başına nokta sayısı gibi tarama parametreleri üzerinde hassas kontrol gerektirir. Geliştirme koşulu da dikkatle seçilmelidir. Örüntünün yoğunluğu çok yüksektir, bu nedenle geliştirme işlemi anında yapıldığında, nanorod şekilli desenler ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, Kore hükümetinin Bilim Bakanlığı ve IcT tarafından finanse edilen Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibeleri (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM3A6B030637, NRF-2019R1A5A8080290) tarafından finanse edilmiştir. I.K. Kore hükümetinin Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen NRF Global Doktora bursuna (NRF-2016H1A2A1906519) onaylar.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AcetonJ.T. Baker925402
Işın ayırıcıThorlabsCCM1-BS013/M
Krom aşındırıcıKMGCr-7
Krom buharlaşma kaynağıKurt J. LeskerEVMCR35D
KelepçeThorlabsCP175
İletken polimerShowa denkoE-ara parça
Diyot lazerThorlabsCPS635
E-ışın buharlaştırma sistemiKore Vakum TeknolojisiKVE-E4000
E-ışın direnciMicrochem495 PMMA A2
Elektron ışını litografisiElionixELS-7800
Yarım dalga plakasıThorlabsAHWP05M-600
Endüktif olarak bağlanmış plazma reaktif iyon aşındırmaDMS-Iris
ThorlabsSM1D12
İzopropil alkolJ.T. Baker909502
Kinematik ayna montajıThorlabsKM100/M
LensThorlabsLB1630
Lens YuvasıThorlabsLMR2/M
Doğrusal polarizörThorlabsGTH5-A
AynaThorlabsPF10-03-G01
Nötr yoğunluk filtresiThorlabsNDC-50C-4
Plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirmeBMR TeknolojisiHiDep-SC
PostThorlabsTR75/M Direk
tutucuThorlabsPH75E/M
Çeyrek dalga plakasıThorlabsAQWP10M-580
Resist geliştiriciMicrochemMIBK:IPA=1:3
Döner montajThorlabsRSP1/M
1 inç adaptörThorlabsAD11F
inç lens yuvasıThorlabsCP02/M
Taramalı elektron mikroskobu Hitachi Regulus8100 XY çeviri montajı Thorlabs XYF1/M 1-

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Metahologram FabricationSpin MultiplexingDirection MultiplexingAll Dielectric MetasurfacesHydrogenated Amorphous SiliconElectron Beam WritingOptical CharacterizationCharge Coupled DeviceScanning Electron MicroscopyCircularly Polarized Light

Related Articles