Demonstration av lika intensitet stråle generation av dielektriska Metasurfaces
Summary
Ett protokoll för tillverkning och optisk karakterisering av dielektriska metasurfaces presenteras. Denna metod kan tillämpas på tillverkning av inte bara balk splitters, men också av allmänna dielektriska metasurfaces, såsom linser, hologram, och optiska kappor.
Abstract
Tillverknings-och karakterisering protokoll för en metasurface balk splitter, vilket möjliggör lika intensitet stråle generation, demonstreras. Hydrerad amorf kisel (a-Si: H) deponeras på smält kiseldioxid substrat, med hjälp av plasma-förstärkt kemisk ånga deposition (PECVD). Typiska amorfa kisel deponeras genom avdunstning orsakar svår optisk förlust, inkräkta operationen vid synliga frekvenser. Väteatomer inne i Amorft kisel tunn film kan minska strukturella defekter, förbättra optisk förlust. Nanostrukturer av några hundra nanometrar krävs för driften av metasurfaces i de synliga frekvenserna. Konventionella Photolithography eller direkt laser skrivning är inte möjligt när fabricera sådana små strukturer, på grund av diffraktion gränsen. Därför används elektronstråle litografi (EBL) för att definiera en krom (CR) mask på den tunna filmen. Under denna process, den exponerade motstå utvecklas vid en kall temperatur för att bromsa den kemiska reaktionen och göra mönstret kanterna skarpare. Slutligen, a-Si: H är etsad längs masken, med induktivt kopplade plasma-reaktiv Ion etsning (ICP-RIE). Den demonstrerade metoden är inte genomförbar för storskalig tillverkning på grund av den låga genomströmningen av EBL, men den kan förbättras genom att kombinera den med Nanoimprint litografi. Den fabricerade enheten kännetecknas av en skräddarsydd optisk inställning bestående av en laser, polarisator, lins, kraftmätare, och Charge-kopplad enhet (CCD). Genom att ändra Laservåglängd och polarisering mäts diffraktions egenskaperna. De uppmätta diffragerade balk krafterna är alltid lika, oavsett incident polarisering, samt våglängd.
Introduction
Metasurfaces består av två-dimensionell subvåglängd antenn arrayer har visat många lovande optiska funktioner, såsom akromatiska linser1,2, hologram3,4,5 ,6, och optiska kappor7. Konventionella skrymmande optiska komponenter kan bytas ut mot ultratunna metasurfaces samtidigt som de ursprungliga funktionerna bibehålls. Till exempel är en balk splitter en optisk enhet som används för att separera en incident stråle i två balkar. Typiska balk splitters görs genom att kombinera två triangulära prismor. Eftersom deras gränssnitt egenskaper bestämma strålen uppdelning egenskaper, är det svårt att minska den fysiska storleken utan funktionell nedbrytning. Å andra sidan kan ultratunna beam splitters realiseras med metasurfaces kodade med en endimensionell linjär fas lutning8,9. Tjockleken på metasurfaces är mindre än deras arbetande våglängder, och separations egenskaper kan styras av fasfördelningen.
Vi konstruerade en metasurface balk splitter som kan generera lika intensitet balkar oavsett incident polarisering stater10. Denna egenskap kommer från ett Fourierhologram. På grund av bilden av två vita fläckar på en svart bakgrund, är genererade hologram från metasurface samma som den kodade bilden. Fourierhologrammet har ingen specifik brännvidd, så den kodade bilden kan observeras i hela utrymmet bakom metasurface11. Om samma två-plats bilden genereras bakom metasurface, det fungerar också som en balk splitter. Den Fourier hologram av metasurface skapar en inverterad bild, som kallas en tvilling bild, med avseende på ortogonala polarisering stater. Twin-bilden betraktas vanligtvis som brus. Den tvåpunkts-bild som kodats i detta metasurface är dock ursprung-symmetrisk, vilket resulterar i en perfekt överlappning av original och tvilling bilder. Eftersom alla polariserings tillstånd kan representeras av en linjär kombination av högerhänt (RCP) och vänsterhänt (LCP) cirkulär polarizations, den anordning som beskrivs här visar polariserings-oberoende funktionalitet.
Här presenterar vi ett protokoll för tillverkning och optisk karakterisering av dielektriska metasurfaces möjliggör lika intensitet stråle generation. Fas distributionen av den här enheten hämtas från Gerchberg – Saxton (GS)-algoritmen, som vanligtvis används för fas-endast hologram12. a-Si: H av 300 nm tjock deponeras på smält kiseldioxid substrat, med hjälp av PECVD. En CR-mask definieras på a-Si: H-filmen, med EBL. Mask mönstret motsvarar fasfördelningen som härleds från GS-algoritmen. ICP-RIE utnyttjas för att etch a-Si: H-filmen längs CR-masken. Resten av CR-masken avlägsnas genom att CR-etsmedel Slutför prov tillverkningen. Den optiska funktionaliteten hos den fabricerade metasurface kännetecknas med hjälp av en skräddarsydd optisk inställning. När en laserstråle är incident till metasurface, är den överförda strålen uppdelad i tre delar, nämligen två mängder balkar och en Zeroth-order balk. De diffragerade strålarna avviker från en förlängning av den infallande strål vägen medan Zeroth-orderbalken följer den. För att kontrollera funktionaliteten hos denna enhet, mätte vi strålen makt, balk profil och mängder vinkel med hjälp av en effektmätare, CCD, och gradskiva, respektive.
Alla tillverkningsprocesser och material som används är optimerade för mål funktionerna. För synliga arbets frekvenser bör de enskilda antenn storlekarna vara några hundra nanometrar, och själva materialet bör ha en låg optisk förlust vid synliga våglängder. Endast ett fåtal typer av tillverkningsmetoder är tillämpliga när man definierar sådana små strukturer. Typisk Photolithography, såväl som riktar laser-handstil, är oförmögna av fabricering tack vare diffraktionen begränsar. Fokuserad jonstråle fräsning kan användas, men det finns kritiska frågor om gallium förorening, mönster design beroende, och den långsamma processen hastighet. Praktiskt taget är EBL det enda sättet att underlätta tillverkningen av metasurfaces som arbetar på synliga frekvenser13.
Dielectrics är oftast att föredra på grund av den oundvikliga ohmsk förlust av metaller. Den optiska förlusten av a-Si: H är tillräckligt låg för vårt syfte. Även om den optiska förlusten av a-Si: h är inte så låg som låg förlust dielektrika såsom titandioxid1,4 och kristallint kisel14, tillverkning av a-Si: h är mycket enklare. Typiska avdunstning och sputtring bearbetar är inte kompetent av nedfallet av en a-Si: H filmar. PECVD krävs vanligtvis. Under PECVD-processen fastnar vissa väteatomer från SiH4 -och H2 -gaser bland kiselatomerna, vilket resulterar i en a-Si: H-film. Det finns två sätt att definiera a-Si: H-mönster. En är nedfallet av a-Si: H på en mönstrad photoresist, följt av Lift-off-processen, och den andra är genom att definiera en etsning mask på a-Si: H film, följt av etsning processen. Den förstnämnda är väl lämpad för avdunstning processer, men det är inte lätt att sätta in a-Si: H film med avdunstning. Därför är det senare det optimala sättet att göra a-Si: H mönster. CR används som etsning mask material på grund av dess höga etsning selektivitet med kisel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vissa tillverkningssteg bör utföras noggrant, för att generera en metasurface som är densamma som den ursprungliga designen. I motstå utvecklingsprocessen, en låg temperatur lösning är oftast att föredra. Standardvillkoret är rumstemperatur, men reaktionshastigheten kan bromsas ned genom att lösnings temperaturen sänks till 0 ° c. Även om motsvarande reaktionstid blir längre, kan ett finare mönster erhållas än med standardförhållanden. Reaktionstiden kontroll är också lätt på grund av den låga re…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds ekonomiskt av National Research Foundation Grants (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) finansierad av ministeriet för vetenskap och IKT (MSIT), Sydkorea.
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).
