Demonstratie van Spin-Multiplexed en Direction-Multiplexed All-Diëlektrische Zichtbare Metahologrammen
Summary
We presenteren een protocol voor de fabricage van spin- en richting-multiplexed zichtbare metahologrammen, en voeren vervolgens een optisch experiment uit om hun functie te verifiëren. Deze metahologrammen kunnen eenvoudig gecodeerde informatie visualiseren, zodat ze kunnen worden gebruikt voor projectieve volumetrische weergave en informatieversleuteling.
Abstract
De optische holografie techniek gerealiseerd door metasurfaces is naar voren gekomen als een nieuwe benadering van projectieve volumetrische display en informatie encryptie display in de vorm van ultradunne en bijna platte optische apparaten. Vergeleken met de conventionele holografische techniek met ruimtelijke lichtmodulatoren, heeft het metahologram tal van voordelen, zoals miniaturisatie van optische setup, hogere beeldresolutie en groter zichtbaarheidsveld voor holografische beelden. Hier wordt een protocol gerapporteerd voor de fabricage en optische karakterisering van optische metahologrammen die gevoelig zijn voor de spin en richting van incidentlicht. De metasurfaces bestaan uit gehydrogeneerd amorf silicium (a-Si:H), dat een grote brekingsindex en een kleine uitstervingscoëfficiënt heeft in het gehele zichtbare bereik, wat resulteert in een hoge overdracht en diffractie-efficiëntie. Het apparaat produceert verschillende holografische beelden wanneer de spin of richting van het invallende licht wordt geschakeld. Daarom kunnen ze meerdere soorten visuele informatie tegelijkertijd coderen. Het fabricageprotocol bestaat uit filmdepositie, elektronenbundel schrijven en daaropvolgende etsen. Het gefabriceerde apparaat kan worden gekarakteriseerd met behulp van een aangepaste optische setup die bestaat uit een laser, een lineaire polarisator, een kwart waveplate, een lens en een lading-gekoppeld apparaat (CCD).
Introduction
Optische metasuroppervlakken bestaande uit subgolflengte nanostructuren hebben vele interessante optische verschijnselen mogelijk gemaakt, waaronder optische cloaking1, negatieve breking2, perfecte lichtabsorptie3, kleurfiltering4, holografische beeldprojectie5en straalmanipulatie6,7,8. Optische metasurfaces die op de juiste manier ontworpen strooiers hebben, kunnen het spectrum, het golffront en de polarisatie van licht moduleren. Vroege optische metasurfaces werden voornamelijk vervaardigd met behulp van edele metalen (bijvoorbeeld Au, Ag) vanwege hun hoge reflectiviteit en gemak van nanovecatie, maar ze hebben hoge Ohmic verliezen, zodat de metasoppervlakken hebben een lage efficiëntie op korte zichtbare golflengten.
De ontwikkeling van nanofabricagetechnieken voor diëlektrische materialen met lage verliezen bij zichtbaar licht (bijvoorbeeld TiO29, GaN10en a-Si:H11)heeft de realisatie van zeer efficiënte platte optische apparaten met optische metasoppervlakken mogelijk gemaakt. Deze apparaten hebben toepassingen in optica en engineering. Een intrigerende toepassing is optische holografie voor projectieve volumetric display en informatie encryptie. Vergeleken met conventionele hologrammen die gebruik maken van ruimtelijke lichtmodulatoren, heeft het metahologram tal van voordelen, zoals miniaturisatie van optische setup, hogere resolutie van holografische beelden en groter gezichtsveld.
Onlangs is het coderen van meerdere holografische informatie in een enkellaags metahologramapparaat bereikt. Voorbeelden hiervan zijn metahologrammen die zijn multiplexed in spin12,13, orbitale hoekmomentum14, incidentlichthoek15en richting16. Deze inspanningen hebben de kritieke tekortkoming van metahologrammen overwonnen, wat een gebrek aan ontwerpvrijheid in één apparaat is. De meeste conventionele metahologrammen kunnen slechts enkele gecodeerde holografische afbeeldingen produceren, maar een multiplexed apparaat kan meerdere holografische afbeeldingen in realtime coderen. Vandaar dat het multiplexed metahologram een cruciaal oplossingsplatform is voor echte holografische videoweergave of multifunctionele anticounterfeiting hologrammen.
Hier gemeld zijn protocollen te fabriceren spin- en richting-multiplexed all-diëlektrische zichtbare metahologrammen, dan optisch te karakteriseren ze13,16. Om meerdere visuele informatie in één metasurface-apparaat te coderen, zijn metahologrammen ontworpen die twee verschillende holografische beelden weergeven wanneer de spin of richting van incidenteel licht wordt gewijzigd. Om zeer efficiënte holografische beelden te fabriceren op een manier die vergelijkbaar is met CMOS-technologie, wordt a-Si:H gebruikt voor de metasurfaces en worden dubbele magnetische resonanties en antiferromagnetische resonanties die erin worden geïnduceerd, benut. Het fabricageprotocol bestaat uit filmdepositie, elektronenbundelschrijven en etsen. Het gefabriceerde apparaat wordt gekenmerkt door een aangepaste optische setup bestaande uit een laser, een lineaire polarisator, een kwart waveplate, een lens en een lading-gekoppeld apparaat (CCD).
Protocol
Representative Results
Discussion
De a-Si:H metasurfaces werden vervaardigd in drie grote stappen: a-Si: H dunne film afzetting met behulp van PECVD, precieze EBL, en droge etsen. Onder deze stappen is het EBL-schrijfproces het belangrijkste. Ten eerste is de patroondichtheid op metasoppervlakken vrij hoog, dus het proces vereist nauwkeurige controle over de elektronendosis (energie) en scanparameters zoals het aantal stippen per eenheidsgebied. De ontwikkelingsvoorwaarde moet ook zorgvuldig worden gekozen. De dichtheid van het patroon is zeer hoog, dus …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd financieel ondersteund door de National Research Foundation (NRF) subsidies (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) gefinancierd door het ministerie van Wetenschap en ICT van de Koreaanse overheid. I.K. erkent de NRF Global Ph.D. fellowship (NRF-2016H1A2A1906519) gefinancierd door het ministerie van Onderwijs van de Koreaanse overheid.
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).
