Demonstration af spin-multipleks og retnings multipleksed all-dielektriske synlige metaholograms

Summary

Vi præsenterer en protokol for fremstilling af spin- og retnings multiplexed synlige metaholograms, derefter foretage et optisk eksperiment for at kontrollere deres funktion. Disse metahologrammer kan nemt visualisere kodede oplysninger, så de kan bruges til projektiv volumetrisk visning og informationskryptering.

Abstract

Den optiske holografi teknik realiseret af metasurfaces har vist sig som en ny tilgang til projektive volumetrisk display og information kryptering display i form af ultratynde og næsten flade optiske enheder. Sammenlignet med den konventionelle holografiske teknik med rumlige lysmodulatorer har metahologrammet mange fordele såsom miniaturisering af optisk opsætning, højere billedopløsning og større synlighedsområde for holografiske billeder. Her er en protokol rapporteret for fremstilling og optisk karakterisering af optiske metahologrammer, der er følsomme over for spin og retning af hændelsen lys. Metafladerne består af hærdet amorf silicium (a-Si:H), som har et stort brydningsindeks og en lille udryddelseskoefficient i hele det synlige område, hvilket resulterer i høj transmissions- og diffraktionseffektivitet. Enheden producerer forskellige holografiske billeder, når der skiftes til hændelseslysets spin eller retning. Derfor kan de kode flere typer visuelle oplysninger samtidigt. Fabrikationsprotokollen består af filmaflejring, elektronstråleskrivning og efterfølgende ætsning. Den fabrikerede enhed kan karakteriseres ved hjælp af en tilpasset optisk opsætning, der består af en laser, en lineær polarisator, en fjerdedel bølgeplade, en linse og en afgift-koblet enhed (CCD).

Introduction

Optiske metaoverflader, der består af nanostrukturer under bølgelængden, har gjort det muligt for mange interessante optiske fænomener, herunder optisk tilsløring^1,negativ brydning², perfekt lysabsorption³,^{farvefiltrering 4}, holografisk billedprojektion⁵og strålemanipulation^6,7,8. Optiske metaoverflader, der har passende designet scatterers kan modulere spektret, wavefront og polarisering af lys. Tidlige optiske metaflader blev hovedsageligt fremstillet ved hjælp af ædle metaller (f.eks Au, Ag) på grund af deres høje refleksionsevne og lethed af nanofabrikation, men de har høje Ohmic tab, så metasurfaces har lav effektivitet på korte synlige bølgelængder.

Udvikling af nanofabrikationsteknikker for dielektriske materialer, der har lave tab i_synligt⁹lys¹⁰(f.eks.¹¹ Disse enheder har applikationer i optik og teknik. En spændende ansøgning er optisk holografi til projektiv volumetrisk display og informationskryptering. Sammenlignet med konventionelle hologrammer, der bruger rumlige lysmodulatorer, har metahologrammet mange fordele såsom miniaturisering af optisk opsætning, højere opløsning af holografiske billeder og større synsfelt.

For nylig er der opnået kodning af flere holografiske oplysninger i en metahologramenhed med et enkelt lag. Som eksempler kan nævnes metaholograms , der er multiplexed i spin^12,13, orbital vinkel momentum¹⁴, hændelse lys vinkel¹⁵, og^{retning 16}. Disse bestræbelser har overvundet den kritiske mangel ved metaholograms, som er en mangel på design frihed i en enkelt enhed. De fleste konventionelle metahologrammer kunne kun producere enkelt kodede holografiske billeder, men multiplexed enhed kan indkode flere holografiske billeder i realtid. Derfor er det multiplexed metahologram en afgørende løsning platform mod ægte holografisk video display eller multifunktionelle anticounterfeiting hologrammer.

Rapporteret her er protokoller til at fremstille spin- og retning-multiplexed all-dielektriske synlige metaholograms, derefter til optisk karakterisere^{dem 13,16}. For at kode flere visuelle oplysninger i en enkelt metaoverfladeenhed er der designet metahologrammer, som viser to forskellige holografiske billeder, når omspin eller retning af hændelseslyset ændres. For at fremstille højeffektive holografiske billeder på en måde, der kan sammenlignes med CMOS-teknologi, bruges a-Si:H til metasurfaces og dobbelte magnetiske resonanser og antiferromagnetiske resonanser induceret inde i dem udnyttes. Fabrikationsprotokollen består af filmdeposition, elektronstråleskrivning og ætsning. Den fabrikerede enhed er karakteriseret ved hjælp af en tilpasset optisk opsætning bestående af en laser, en lineær polarisator, en fjerdedel bølgeplade, en linse og en afgift-koblet enhed (CCD).

Protocol

1. Fremstilling af udstyr BEMÆRK: Figur 1 viser fremstillingsprocessen af a-Si:H-metaoverflader17. Der tilberedes et sammensmeltet silicawaferstykke (størrelse = 2 cm x 2 cm, tykkelse = 500 μm) som substrat. Skyl underlaget med acetone og isopropylalkohol (IPA), og blæs derefter nitrogengas over underlaget for at tørre det. Der deponeres en 380 nm tyk a-Si:H-film på substratet ved hjælp af plasmaforbedret kemisk d…

Representative Results

A-Si:H-metaoverfladerne muliggør høj krydspolariseringseffektivitet og kan fremstilles ved hjælp af en metode (Figur 1), der er kompatibel med CMOS; dette træk kan muliggøre skalerbar fabrikation og nær-fremtid kommercialisering. SEM-billedet viser de opdigtede a-Si:H-mellemflader (Figur 2). Desuden har a-Si:H et større brydningsindeks end TiO2 og GaN, så selv med et lavt højde-bredde-forhold på omkring 4,7 kan en a-SiH-metahologram med høj…

Discussion

A-Si:H-metasurfaces blev fremstillet i tre store trin: a-Si:H tyndfilmdeposition ved hjælp af PECVD, præcis EBL og tør ætsning. Blandt disse trin er EBL-skriveprocessen den vigtigste. For det første er mønstertætheden på metaoverflader ret høj, så processen kræver præcis kontrol over elektrondosis (energi) og scanningsparametre såsom antal prikker pr. enhedsområde. Udviklingstilstanden bør også vælges omhyggeligt. Tætheden af mønsteret er meget højt, så når udviklingsprocessen sker øjeblikkeligt, e…

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