Demonstration af lige-Intensitets stråle generering ved dielektriske Metasurfaces
Summary
En protokol til fabrikation og optisk karakterisering af dielektriske metasurfaces præsenteres. Denne metode kan anvendes til fabrikation af ikke kun Beam Splitters, men også af generelle dielektriske metasurfaces, såsom linser, hologrammer, og optiske cloaks.
Abstract
Der påvises en fabrikations-og karakteriserings protokol for en metasurface-stråle splitter, som muliggør lige-intensitets stråle generering. Hydrogeneret Amorfe silicium (a-Si: H) er deponeret på det smeltet silica substrat, ved hjælp af plasma-forstærket kemisk damp deposition (PECVD). Typisk Amorfe silicium deponeret ved fordampning forårsager alvorlige optiske tab, påvirker operationen ved synlige frekvenser. Hydrogen atomer inde i Amorfe silicium tynde film kan reducere de strukturelle defekter, forbedre optisk tab. Nanostrukturer af et par hundrede nanometer er nødvendige for driften af metasurfaces i de synlige frekvenser. Konventionel fotolitografi eller direkte laser skrivning er ikke muligt, når opdigte sådanne små strukturer, på grund af diffraktion grænse. Derfor anvendes elektronstråle litografi (EBL) til at definere en chrom (CR) maske på den tynde film. Under denne proces, den eksponerede modstå er udviklet ved en kold temperatur for at bremse den kemiske reaktion og gøre mønsteret kanter skarpere. Endelig er a-Si: H ætset langs masken, ved hjælp af indukt koblet plasma-reaktiv ion ætsning (ICP-RIE). Den påviste metode er ikke mulig for storstilet fabrikation på grund af den lave gennemløb af EBL, men den kan forbedres ved at kombinere den med nanoimprint litografi. Den fabrikerede enhed er karakteriseret ved en tilpasset optisk opsætning bestående af en laser, polarisator, linse, effektmåler, og opladning-koblede enhed (CCD). Ved at ændre laser bølgelængden og polariseringen måles diffraktions egenskaberne. De målte diffracted stråle kræfter er altid lige, uanset hændelsen polarisering, samt bølgelængde.
Introduction
Metasurfaces bestående af to-dimensionelle subbølge længde antennesystemer har vist mange lovende optiske funktionaliteter, såsom akromatiske linser1,2, hologrammer3,4,5 ,6og optiske kapper7. Konventionelle voluminøse optiske komponenter kan udskiftes med ultratynde metasurfaces, samtidig med at de oprindelige funktionaliteter bevares. For eksempel er en stråle splitter en optisk enhed, der bruges til at adskille en hændelses stråle i to bjælker. Typiske stråle splittere er lavet ved at kombinere to trekantede prismer. Da deres interface egenskaber bestemme strålen opdeling egenskaber, er det svært at reducere den fysiske størrelse uden funktionel nedbrydning. På den anden side, ultratynde stråle splittere kan realiseres med metasurfaces kodet med en endimensional lineær fase gradient8,9. Tykkelsen af metasurfaces er mindre end deres arbejds bølgelængder, og separations egenskaber kan styres af fasefordelingen.
Vi designede en metasurface Beam splitter, som kan generere lige-intensitets stråler uanset hændelsen polariserings tilstande10. Denne egenskab kommer fra et Fourier hologram. På grund af billedet af to hvide pletter på en sort baggrund, genereret hologram fra metasurface er den samme som det kodede billede. Fourier hologrammet har ikke en specifik brændvidde, så det kodede billede kan observeres i hele rummet bag metasurface11. Hvis det samme to-spot billede genereres bag metasurface, fungerer det også som en stråle splitter. Fourier hologram af metasurface skaber et inverteret billede, som kaldes et Twin billede, med hensyn til de ortogonale polariserings tilstande. Twin billedet betragtes typisk som støj. Men det to-spot billede kodet i denne metasurface er Origin-symmetrisk, hvilket resulterer i en perfekt overlapning af de oprindelige og Twin billeder. Da enhver polariserings stat kan repræsenteres ved en lineær kombination af højrehåndet (RCP) og venstrehåndet (LCP) cirkulære polariseringer, viser den her beskrevne enhed den polariserings uafhængige funktionalitet.
Her præsenterer vi en protokol for fabrikation og optisk karakterisering af dielektriske metasurfaces muliggør lige-intensitet stråle generation. Den fase fordeling af denne enhed er hentet fra Gerchberg-Saxton (GS) algoritme, som generelt anvendes til fase-kun hologrammer12. a-Si: H af 300 Nm tyk er deponeret på smeltet silica substrat, ved hjælp af PECVD. En CR Mask er defineret på a-Si: H film, ved hjælp af EBL. Maske mønsteret svarer til den fase fordeling, som er afledt af GS-algoritmen. ICP-RIE udnyttes til at etch a-Si: H-filmen langs CR-masken. Resten af CR masken fjernes ved at finalisere prøve fabrikation. Den optiske funktionalitet af den fabrikerede metasurface er karakteriseret ved hjælp af en tilpasset optisk setup. Når en laserstråle er hændelsen til metasurface, er den transmitterede stråle opdelt i tre dele, nemlig to diffracted bjælker og en Zeroth-ordre stråle. De diffracted bjælker afviger fra en udvidelse af hændelsesstråle stien, mens Zeroth-ordre strålen følger den. For at verificere funktionaliteten af denne enhed, målte vi stråle effekt, stråle profil og diffracted vinkel ved hjælp af henholdsvis en effektmåler, CCD og Protractor.
Alle fremstillingsprocesser og materialer, der anvendes, er optimeret til målet funktionalitet. For synlige arbejds frekvenser bør de enkelte antennestørrelser være et par hundrede nanometer, og selve materialet bør have et lavt optisk tab ved synlige bølgelængder. Kun få former for fabrikationsmetoder er gældende, når der defineres sådanne små strukturer. Typisk fotolitografi, samt direkte laser skrivning, er ude af stand til fabrikation på grund af diffraktion grænse. Fokuseret ionstråle fræsning kan anvendes, men der er kritiske spørgsmål om gallium forurening, mønster design afhængighed, og den langsomme proceshastighed. Praktisk, EBL er den eneste måde at lette fremstilling af metasurfaces arbejder på synlige frekvenser13.
Dielektrika foretrækkes normalt på grund af det uundgåelige ohmiske tab af metaller. Det optiske tab af a-Si: H er lav nok til vores formål. Selv om det optiske tab af a-Si: h er ikke så lavt som lavt tabs-dielektrika såsom titandioxid1,4 og krystallinsk silicium14, fremstilling af a-Si: h er meget enklere. Typisk fordampning og spruttende processer er ikke i stand til aflejring af en a-Si: H film. PECVD er normalt påkrævet. Under PECVD-processen er nogle hydrogenatomer fra SiH4 og H2 gasser fanget blandt silicium atomerne, hvilket resulterer i en a-Si: H-film. Der er to måder at definere a-Si: H mønstre. Den ene er aflejring af a-Si: H på en mønstrede photoresist, efterfulgt af elevatoren-off proces, og den anden er ved at definere en ætsning maske på a-Si: H film, efterfulgt af ætsning proces. Førstnævnte er velegnet til fordampning processer, men det er ikke let at deponere en-si: H film ved hjælp af fordampning. Derfor er sidstnævnte den optimale måde at lave en-si: H mønstre. CR bruges som det ætsning maske materiale på grund af sin høje ætsning selektivitet med silicium.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nogle fabrikations trin bør gennemføres omhyggeligt, at generere en meta Face, der er den samme som det oprindelige design. I den modstående udviklingsproces foretrækkes en lavtemperatur løsning normalt. Standardtilstanden er stuetemperatur, men reaktionshastigheden kan bremses ved at nedsætte opløsningens temperatur til 0 °C. Selv om den tilsvarende reaktionstid bliver længere, kan der opnås et finere mønster end med standardbetingelser. Reaktionstiden kontrol er også let på grund af den lave reaktionshasti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde støttes finansielt af National Research Foundation tilskud (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) finansieret af Ministeriet for videnskab og IKT (MSIT), Republikken Korea.
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 |
References
- Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
- Chen, W. T., et al. A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible. Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).
- Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
- 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).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Pragmatic Metasurface Hologram at Visible Wavelength: The Balance between Diffraction Efficiency and Fabrication Compatibility. ACS Photonics. 5 (5), 1643-1647 (2018).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. “Crypto-Display” in Dual-Mode Metasurfaces by Simultaneous Control of Phase and Spectral Responses. ACS Nano. 12 (7), 6421-6428 (2018).
- 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).
- Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter. Nature Communications. 5, 5386 (2014).
- Zhang, D., et al. Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces. Optics Letters. 43 (2), 267 (2018).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting. Scientific Reports. 8 (1), 9468 (2018).
- Goodman, J. W. . Introduction to Fourier Optics. , (2005).
- Gerchberg, R. W., Saxton, W. O. A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures. Optik. 35 (2), 237-246 (1972).
- Yoon, G., Kim, I., Rho, J. Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials. Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).
- Zhou, Z., et al. Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light. ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).
- Dammann, H., Görtler, K. High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).
