Демонстрация спин-multiplexed и направление-Multiplexed Все-Диэлектрические видимые метахолограммы
Summary
Представляем протокол по изготовлению спин- и направленно-мультиплексных видимых метахолограмм, а затем проводим оптический эксперимент для проверки их функции. Эти метахолограммы могут легко визуализировать закодированную информацию, поэтому они могут быть использованы для проектного объемного отображения и шифрования информации.
Abstract
Техника оптической голографии, реализованная с помощью метаповерхностных элементов, стала новым подходом к проектно-проектной томтрической отображению и отображению шифрования информации в виде ультратонких и почти плоских оптических устройств. По сравнению с обычной голографической техникой с модуляторами пространственного света, метахолограмма имеет множество преимуществ, таких как миниатюризация оптической установки, более высокое разрешение изображения и большее поле видимости для голографических изображений. Здесь сообщается о протоколе по изготовлению и оптической характеристике оптических метахолограмм, чувствительных к спину и направлению света инцидента. Метаповерхности состоят из гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), который имеет большой рефракционный индекс и небольшой коэффициент вымирания во всем видимом диапазоне, что приводит к высокой эффективности передачи и дифракции. Устройство производит различные голографические изображения при переключеи спина или направления света инцидента. Таким образом, они могут кодировать несколько типов визуальной информации одновременно. Протокол изготовления состоит из осаждения пленки, письма электронного луча и последующего травления. Изготовленное устройство можно охарактеризовать с помощью индивидуальной оптической установки, которая состоит из лазера, линейного поляризатора, четверть волновой панели, объектива и устройства с зарядом (CCD).
Introduction
Оптические метаповерхностные элементы, состоящие из субволновых наноструктур, позволили создать множество интересныхоптических явлений, включая оптическое маскировку 1,отрицательное преломление 2,идеальное поглощение света 3,цветную фильтрацию 4,голографическую проекцию изображения 5и манипуляциюлучом 6,,7,,8. Оптические метаповерхностные элементы, которые имеют надлежащим образом разработанные рассеяния, могут модулировать спектр, волновой фронт и поляризацию света. Ранние оптические метаповерхности были в основном изготовлены с использованием благородных металлов (например, Au, Ag) из-за их высокой отражаемости и простоты нанофабрикации, но они имеют высокие потери Ohmic, поэтому метаповерхности имеют низкую эффективность при коротких видимых длинах волн.
Разработка методов нанофабрикации диэлектрических материалов с низкими потерями видимого света (например, TiO29,GaN10и a-Si:H11) позволила реализовать высокоэффективные плоские оптические устройства с оптическими метаповерхами. Эти устройства имеют применение в оптике и инженерии. Одним из интригующих приложений является оптическая голография для проектного объемного отображения и шифрования информации. По сравнению с обычными голограммами, которые используют пространственные световые модуляторы, метахолограмма имеет множество преимуществ, таких как миниатюризация оптической установки, более высокое разрешение голографических изображений и большее поле видимости.
Недавно было достигнуто кодирование нескольких голографических данных в однослойном метахолограммном устройстве. Примеры включают метахолограммы, которые мультиплексированыв спину 12,13, орбитальный угловой импульс14,угол света инцидента 15, и направление16. Эти усилия преодолели критический недостаток метахолограмм, который является отсутствие свободы дизайна в одном устройстве. Большинство обычных метахолограмм может производить только отдельные закодированные голографические изображения, но мультиплексное устройство может кодировать несколько голографических изображений в режиме реального времени. Таким образом, мультиплексированная метахолограмма является важнейшим решением платформы для реального голографического видео-дисплея или многофункциональных антисчетных голограмм.
Сообщается здесь протоколы для изготовления спина и направления мультиплексных все-диэлектрические видимые метахолограммы, а затем оптически охарактеризоватьих 13,16. Для кодирования нескольких визуальных данных в одном метаповерхностном устройстве разработаны метахолограммы, которые показывают два разных голографических изображения при изменениях спина или направления света инцидента. Для изготовления высокоэффективных голографических изображений в манере, сопоставимой с технологией CMOS, A-Si:H используется для метаповерхности и двойного магнитного резонанса и антиферромагнитных резонансов, индуцированных внутри них используются. Протокол изготовления состоит из осаждения пленки, электронного пучка и травления. Изготовленное устройство характеризуется индивидуальной оптической установкой, состоящей из лазера, линейного поляризатора, четверти волновой пластины, объектива и устройства с зарядом (CCD).
Protocol
Representative Results
Discussion
Метаповерхиния a-Si:H были изготовлены в трех основных шагах: осаждение тонкой пленки a-Si:H с использованием PECVD, точный EBL и сухое офорт. Среди этих шагов наиболее важным является процесс написания EBL. Во-первых, плотность узора на метаповерхациях довольно высока, поэтому процесс требует то?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была финансово поддержана грантами Национального исследовательского фонда (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290), финансируемых Министерством науки и ИКТ правительства Кореи. I.K. признает стипендию NRF Global Ph.D. (NRF-2016H1A2A1906519), финансируемую Министерством образования корейского правительства.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
- 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).
- Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070 (2019).
- Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
- Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
- Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63 (2018).
- Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
- 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).
- Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
- Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
- 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).
- Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065 (2019).
- Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
- 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).
- 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).
- Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066 (2019).
- Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876 (2018).
- Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
- Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).
