Demonstração da geração de feixe de intensidade igual por Metasurfaces dielétricas

Summary

Um protocolo para a fabricação e a caracterização ótica de superfícies dielétricas é apresentado. Este método pode ser aplicado à fabricação de não somente divisores do feixe, mas igualmente dos metasurfaces dielétrico gerais, tais como lentes, hologramas, e os Cloaks óticos.

Abstract

O protocolo da fabricação e da caracterização para um divisor do feixe do metasurface, permitindo a geração do feixe da igual-intensidade, é demonstrado. O silício amorfo hidrogenado (a-si: H) é depositado no substrato de sílica fundida, utilizando deposição de vapor químico reforçada com plasma (PECVD). O silício amorfo típico depositado por evaporação provoca perda óptica grave, impactando a operação em frequências visíveis. Átomos de hidrogênio dentro da película de silício amorfo fina pode reduzir os defeitos estruturais, melhorando a perda óptica. Nanoestruturas de algumas centenas de nanômetros são necessários para a operação de superfícies nas freqüências visíveis. A fotolitografia convencional ou a escrita direta do laser não são praticáveis ao fabricar tais estruturas pequenas, devido ao limite da difração. Daqui, a litografia do feixe de elétron (EBL) é utilizada para definir uma máscara do cromo (CR) na película fina. Durante este processo, o exposto resistir é desenvolvido a uma temperatura fria para retardar a reação química e fazer as bordas padrão mais nítidas. Finalmente, a-si: H é gravado ao longo da máscara, usando o plasma indutivamente acoplado-gravura reactivo do íon (ICP-rie). O método demonstrado não é viável para a fabricação em grande escala devido à baixa taxa de transferência de EBL, mas pode ser melhorado em cima combinando o com o litography do por. O dispositivo fabricado é caracterizado por um setup ótico personalizado que consiste em um laser, em um polarizador, em uma lente, em um medidor de poder, e em um dispositivo Charge-acoplado (CCD). Mudando o comprimento de onda e a polarização do laser, as propriedades da difração são medidas. Os poderes de feixe difratada medidos são sempre iguais, não obstante a polarização do incidente, assim como o comprimento de onda.

Introduction

Metasurfaces consistindo de matrizes bidimensionais da antena do subcomprimento de onda demonstraram muitas funcionalidades óticas prometedoras, tais como lentes acromáticas^1,2, hologramas^{3,4,5 ,6}e capas ópticas⁷. Os componentes ópticos volumosos convencionais podem ser substituídos por superfícies ultratinas, mantendo as funcionalidades originais. Por exemplo, um divisor de viga é um dispositivo óptico usado para separar um feixe de incidente em dois feixes. Os divisores típicos do feixe são feitos combinando dois prismas triangulares. Uma vez que suas características de interface determinam as propriedades de divisão de feixe, é difícil reduzir o tamanho físico sem degradação funcional. Por outro lado, os divisores de feixe ultrafinos podem ser realizados com superfícies codificadas com um gradiente de fase linear unidimensional^8,9. A espessura de superfícies é menor do que seus comprimentos de onda de trabalho, e as propriedades de separação podem ser controladas pela distribuição da fase.

Nós projetamos um divisor do feixe do metasurface que possa gerar feixes da igual-intensidade não obstante os Estados do polarização do incidente¹⁰. Esta característica vem de um holograma de Fourier. Devido à imagem de dois pontos brancos em um fundo preto, o holograma gerado do metasurface é o mesmo que a imagem codificada. O holograma de Fourier não tem um comprimento focal específico, assim que a imagem codificada pode ser observada no espaço inteiro atrás do metasurface¹¹. Se a mesma imagem de dois pontos é gerada atrás do metasurface, ele também funciona como um divisor de viga. O holograma de Fourier pelo metasurface cria uma imagem invertida, que é chamada de imagem gêmea, em relação aos Estados de polarização ortogonal. A imagem gêmea é considerada tipicamente como o ruído. No entanto, a imagem de dois pontos codificada neste metasurface é de origem simétrica, resultando em uma sobreposição perfeita das imagens originais e gêmeas. Desde que todos os Estados da polarização podem ser representados por uma combinação linear de polarizações circulares destros (RCP) e canhoto (LCP), o dispositivo descrito aqui mostra a funcionalidade polarização-independente.

Aqui, apresentamos um protocolo para a fabricação e caracterização óptica de superfícies dielétricas possibilitando geração de feixe de igual intensidade. A distribuição da fase deste dispositivo é recuperada do algoritmo de Gerchberg-Saxton (GS), que é usado geralmente para hologramas da fase-somente¹². a-si: H de 300 nm de espessura é depositado no substrato de sílica fundida, utilizando PECVD. Uma máscara CR é definida no filme a-si: H, usando EBL. O padrão de máscara corresponde à distribuição de fase derivada do algoritmo GS. ICP-RIE é explorada para gravar o filme a-si: H ao longo da máscara CR. O resto da máscara CR é removido por CR Etchant finalizando a fabricação da amostra. A funcionalidade óptica do metasurface fabricado é caracterizada usando uma configuração óptica personalizada. Quando um feixe de laser é incidente ao metasurface, o feixe transmitido é separado em três porções, a saber dois feixes difratada e um feixe do zeroth-Order. Os feixes difratada desviam-se de uma extensão do trajeto do feixe do incidente quando o feixe do zeroth-Order o seguir. Para verificar a funcionalidade deste dispositivo, Nós medimos o poder do feixe, o perfil do feixe, e o ângulo difratada usando um medidor de poder, um CCD, e um transferidor, respectivamente.

Todos os processos de fabricação e materiais utilizados são otimizados para a funcionalidade de destino. Para freqüências de trabalho visíveis, os tamanhos individuais da antena devem ser algumas centenas de nanometers, e o material próprio deve ter uma baixa perda ótica em comprimentos de onda visíveis. Somente alguns tipos de métodos da fabricação são aplicáveis ao definir tais estruturas pequenas. A fotolitografia típica, assim como a escrita direta do laser, são incapazes da fabricação devido ao limite da difração. O fresamento de feixe de íons focado pode ser usado, mas há problemas críticos de contaminação por gálio, dependência de design de padrão e velocidade lenta do processo. Praticamente, a EBL é a única maneira de facilitar a fabricação de superfícies trabalhando em freqüências visíveis¹³.

Os dielectrics são preferiu geralmente devido à perda Ôhmico inevitável de metais. A perda óptica de a-si: H é baixo o suficiente para o nosso propósito. Embora a perda óptica de a-si: h não seja tão baixa como dielétricos de baixa perda, como o dióxido de titânio^1,4 e o silício cristalino¹⁴, a fabricação de a-si: h é muito mais simples. Processos típicos de evaporação e sputtering não são capazes de deposição de um filme a-si: H. PECVD é geralmente necessário. Durante o processo PECVD, alguns átomos de hidrogênio dos gases SiH₄ e H₂ estão presos entre os átomos de silício, resultando em um filme a-si: H. Há duas maneiras de definir os padrões de a-si: H. Um deles é a deposição de a-si: H em um fotororgista estampado, seguido pelo processo de levantamento, e o outro é definindo uma máscara de gravura no filme a-si: H, seguido do processo de condicionamento. O primeiro é bem adequado para processos de evaporação, mas não é fácil de depositar a-si: H filme usando evaporação. Daqui, o último é a maneira óptima de fazer padrões de a-si: H. CR é usado como o material de máscara de gravura por causa de sua selectividade de alta gravura com silício.

Protocol

1. fabricação da metasurface dielétrica Pré-limpeza de um substrato de sílica fundida Prepare um substrato de sílica fundida de dupla face polido (comprimento: 2 cm; largura: 2 cm; espessura: 500 μm). Mergulhe o substrato de sílica fundida em 50 mL de acetona e conduza o processo de sonicação por 5 min a 40 kHz. Mergulhe o substrato em 50 mL de 2-propanol (IPA) e realize o processo de sonicação por 5 min a 40 kHz. Enxaguar o substrato com o…

Representative Results

Os resultados da medição mostram a funcionalidade independente de polarização do dispositivo aqui apresentado (Figura 1). Os poderes de feixe medidos de ordens de difração de m = ± 1 são iguais independentemente do estado de polarização incidente (i.e., RCP, LCP e polarização linear). Uma vez que quaisquer Estados de polarização arbitrária podem ser decompostos pela combinação linear de RCP e LCP, a funcionalidade do dispositivo pode ser mantida, independentemente dos Estado…

Discussion

Algumas etapas da fabricação devem ser conduzidas com cuidado, para gerar um metasurface que seja o mesmo que o projeto original. No processo de resistir ao desenvolvimento, uma solução de baixa temperatura geralmente é preferida. A condição padrão é a temperatura ambiente, mas a velocidade de reação pode ser retardada diminuindo a temperatura da solução para 0 ° c. Embora o tempo de reação correspondente se torne mais longo, um padrão mais fino pode ser obtido do que com as condições padrão. O contro…

Materials

Plasma enhanced chemical vapor deposition	BMR Technology	HiDep-SC
Electron beam lithography	Elionix	ELS-7800
E-beam evaporation system	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
Inductively-coupled plasma reactive ion etching	DMS	–
Ultrasonic cleaner	Honda	W-113
E-beam resist	MICROCHEM	495 PMMA A2
Resist developer	MICROCHEM	MIBK:IPA=1:3
Conducting polymer	Showa denko	E-spacer
Chromium etchant	KMG	CR-7
Acetone	J.T. Baker	925402
2-propanol	J.T. Baker	909502
Chromium evaporation source	Kurt J. Lesker	EVMCR35D
Collimated laser diode module	Thorlabs	CPS-635	wavelength: 635 nm
ND:YAG laser	GAM laser	GAM-2000	wavelength: 532 nm
power meter	Thorlabs	S120VC
CCD Camera	INFINITY	infinity2-2M
ND filter	Thorlabs	NCD-50C-4-A
Linear polarizer	Thorlabs	LPVISA100-MP2
Lens	Thorlabs	LB1676
Iris	Thorlabs	ID25
Circular polarizer	Edmund optics	88-096
sample holder	Thorlabs	XYFM1
PECVD software	BMR Technology	HIDEP