Summary

Spin-Multiplexed ve Yön-Multiplexed All-Dielectric Görünür Metahologramların Gösterimi

Published: September 25, 2020
doi:

Summary

Spin ve yön çok katlı görünür metahologramların imalatı için bir protokol sayılsın, sonra da işlevlerini doğrulamak için optik bir deney gerçekleştiriyoruz. Bu metahologramlar kodlanmış bilgileri kolayca görselleştirebilir, böylece projektif hacimsel ekran ve bilgi şifreleme için kullanılabilirler.

Abstract

Metayüzeyler tarafından gerçekleştirilen optik holografi tekniği, ultra ince ve neredeyse düz optik cihazlar şeklinde projektif hacimsel ekran ve bilgi şifreleme ekranına yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Uzamsal ışık modülatörleri ile geleneksel holografik tekniği ile karşılaştırıldığında, metahologram optik kurulum minyatürleştirme, daha yüksek görüntü çözünürlüğü ve holografik görüntüler için görünürlük daha büyük alan gibi sayısız avantajları vardır. Burada, olay ışığının dönüşüne ve yönüne duyarlı optik metahologramların üretimi ve optik karakterizasyonu için bir protokol bildirilir. Metayüzeyler hidrojene amorf silikon (a-Si:H), büyük kırılma indeksi ve tüm görünür aralıkta küçük yok olma katsayısı yüksek iletim ve kırınım verimliliği ile sonuçlanan oluşur. Cihaz, olay ışığının dönüşü veya yönü değiştirildiğinde farklı holografik görüntüler üretir. Bu nedenle, aynı anda birden çok görsel bilgi türünü kodlayabilirler. Üretim protokolü film birikimi, elektron ışını yazma ve sonraki gravür oluşur. Fabrikasyon cihaz bir lazer, doğrusal polarize, çeyrek dalga plakası, bir lens ve şarj-coupled cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilebilir.

Introduction

Alt dalga boyu nanoyapılardan oluşan optik metayüzeyler optik gizleme 1 dahil olmak üzere birçok ilginç optik fenomenler, sağlamıştır1, negatif kırılma2, mükemmel ışık emme3, renk filtreleme4, holografik görüntü projeksiyon5, ve ışınmanipülasyonu 6,7,8. Uygun şekilde tasarlanmış saçılımörlere sahip optik metayüzeyler, ışığın spektrumunu, dalga cephesini ve polarizasyonunu modüle edebilir. Erken optik metayüzeyler esas olarak asil metaller (örneğin, Au, Ag) yüksek yansıtıcılık ve nanofabrikasyon kolaylığı nedeniyle imal edildi, ancak yüksek Ohmik kayıplarvar, bu yüzden metayüzeyler kısa görünür dalga boylarında düşük verimliliğe sahip.

Görünür ışıkta (örneğin, TiO29, GaN10ve a-Si:H11)düşük kayıplara sahip dielektrik malzemeler için nanofabrikasyon tekniklerinin geliştirilmesi, optik metayüzeylere sahip yüksek verimli düz optik cihazların gerçekleştirilmesini sağlamıştır. Bu cihazların optik ve mühendislik uygulamaları vardır. Bir ilginç uygulama projektif volumetric ekran ve bilgi şifreleme için optik holografi olduğunu. Uzamsal ışık modülatörleri kullanan geleneksel hologramlar ile karşılaştırıldığında, metahologramoptik kurulumun minyatürleştirilmesi, holografik görüntülerin daha yüksek çözünürlüğü ve daha geniş görüş alanı gibi birçok avantaja sahiptir.

Son zamanlarda, tek katmanlı metahologram cihazda birden fazla holografik bilginin kodlanması sağlanmıştır. Örnekler spin12,,13,orbital açısal momentum14,olay ışık açısı15, ve yön16multipleksed metahologramlar içerir. Bu çabalar, tek bir cihazda tasarım özgürlüğü eksikliği olan metahologramların kritik eksikliğinin üstesinden gelmiştir. Çoğu geleneksel metahologram sadece tek kodlanmış holografik görüntü üretebilir, ancak çok katlı aygıt birden fazla holografik görüntüyü gerçek zamanlı olarak kodlayabilir. Bu nedenle, çok katlı metahologram gerçek holografik video ekran veya çok fonksiyonlu antikalperhologramlar doğru önemli bir çözüm platformudur.

Burada bildirilen spin imal protokolleri- ve yön-multiplexed all-dielektrik görünür metahologramlar, sonra optik onları karakterize etmekiçin 13,16. Tek bir metayüzey cihazında birden fazla görsel bilgiyi kodlamak için, olay ışığının dönüşü veya yönü değiştiğinde iki farklı holografik görüntü gösteren metahologramlar tasarlanmıştır. CMOS teknolojisi ile karşılaştırılabilir bir şekilde yüksek verimli holografik görüntüler imal etmek için, a-Si:H metayüzeyler için kullanılır ve çift manyetik rezonanslar ve içlerinde indüklenen antiferromanyetik rezonanslar yararlanılır. Üretim protokolü film birikimi, elektron ışını yazma ve gravür oluşur. Fabrikasyon cihaz bir lazer, doğrusal polarize, çeyrek dalga plakası, bir lens ve şarj-coupled cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilir.

Protocol

1. Cihaz imalatı NOT: Şekil 1 a-Si:H metasurfaces17üretim sürecini gösterir. Erimiş bir silika gofret parçası (boyut = 2 cm x 2 cm, kalınlık = 500 μm) bir substrat olarak hazırlayın. Aseton ve İzopropil alkol (IPA) ile substrat durulayın sonra kurutmak için substrat üzerinde azot gazı darbe. Plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar birikimi (PECVD) kullanarak substrat üzerine 380 nm kalınlığında a…

Representative Results

a-Si:H metayüzeyleri yüksek çapraz polarizasyon verimliliği sağlar ve CMOS ile uyumlu bir yöntem(Şekil 1)kullanılarak imal edilebilir; bu özellik ölçeklenebilir üretim ve yakın gelecekte ticarileştirilmesi ni sağlayabilir. SEM görüntüsü, fabrikasyon a-Si:H metasurfacelerini gösterir (Şekil 2). Ayrıca, a-Si:H TiO2 ve GaN daha büyük bir kırılma indisi vardır, bu nedenle yaklaşık 4.7 düşük boy oranı nanoyapı ile bile, y?…

Discussion

a-Si:H metayüzeyleri üç ana adımda üretildi: a-Si:H ince film birikimi PECVD, hassas EBL ve kuru gravür kullanılarak. Bu adımlar arasında en önemli leri EBL yazma sürecidir. İlk olarak, metayüzeylerde desen yoğunluğu oldukça yüksektir, bu nedenle işlem elektron dozu (enerji) ve birim alan başına nokta sayısı gibi tarama parametreleri üzerinde hassas kontrol gerektirir. Geliştirme koşulu da dikkatle seçilmelidir. Örüntünün yoğunluğu çok yüksektir, bu nedenle geliştirme işlemi anında ya…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Kore hükümetinin Bilim Bakanlığı ve IcT tarafından finanse edilen Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibeleri (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM3A6B030637, NRF-2019R1A5A8080290) tarafından finanse edilmiştir. I.K. Kore hükümetinin Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen NRF Global Doktora bursuna (NRF-2016H1A2A1906519) onaylar.

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

  1. 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).
  2. Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
  3. 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).
  4. Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070 (2019).
  5. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
  6. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  7. Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63 (2018).
  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
  9. 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).
  10. Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
  11. Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
  12. 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).
  13. Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065 (2019).
  14. Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066 (2019).
  18. Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876 (2018).
  19. Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).

Play Video

Cite This Article
Kim, I., Lee, D., Rho, J. Demonstration of Spin-Multiplexed and Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metaholograms. J. Vis. Exp. (163), e61334, doi:10.3791/61334 (2020).

View Video