Demonstrasjon av spin-multipleksede og retningsplumkserte all-dielektriske synlige metahologrammer

Summary

Vi presenterer en protokoll for fabrikasjon av spin- og retning-multipleksed synlige metaholograms, og deretter gjennomføre et optisk eksperiment for å verifisere deres funksjon. Disse metaholograms kan enkelt visualisere kodet informasjon, slik at de kan brukes til prosjektiv volumetrisk visning og informasjonskryptering.

Abstract

Den optiske holografiteknikken realisert av metaoverflater har dukket opp som en ny tilnærming til prosjektiv volumetrisk skjerm og informasjonskrypteringsskjerm i form av ultratynne og nesten flate optiske enheter. Sammenlignet med den konvensjonelle holografiske teknikken med romlige lysmodulatorer, har metahologrammet mange fordeler som miniatyrisering av optisk oppsett, høyere bildeoppløsning og større synsfelt for holografiske bilder. Her rapporteres en protokoll for fabrikasjon og optisk karakterisering av optiske metahologrammer som er følsomme for spinn og retning av hendelseslys. Metasurfaces består av hydrogenert amorfe silisium (a-Si: H), som har stor brytningsindeks og liten utryddelseskoeffisient i hele det synlige området som resulterer i høy overførings- og diffraksjonseffektivitet. Enheten produserer forskjellige holografiske bilder når spin eller retning av hendelseslyset er slått. Derfor kan de kode flere typer visuell informasjon samtidig. Fabrikasjonsprotokollen består av filmdeponering, elektronstråleskriving og påfølgende etsning. Den fabrikkerte enheten kan karakteriseres ved hjelp av et tilpasset optisk oppsett som består av en laser, en lineær polarisator, en kvart bølgeplate, et objektiv og en ladet enhet (CCD).

Introduction

Optiske metaoverflater bestående av nanostrukturer under bølgelengde har gjort det mulig for mange interessante optiske fenomener, inkludert optisk maskering^1,negativ brytning^2,perfekt^{lysabsorpsjon 3,}fargefiltrering^4,holografisk bildeprojeksjon⁵og^{strålemanipulering 6,,7,,8}. Optiske metaoverflater som har riktig utformede scatteres kan modulere spekteret, bølgefronten og polariseringen av lys. Tidlige optiske metaoverflater ble hovedsakelig fabrikkert ved hjelp av edle metaller (f.eks Au, Ag) på grunn av deres høye reflektivitet og enkel nanofabrikasjon, men de har høye Ohmic-tap, slik at metaflatene har lav effektivitet ved korte synlige bølgelengder.

Utvikling av nanofabrikasjonsteknikker for dielektriske materialer som har lave tap i synlig lys (f.eks. TiO₂^9,GaN¹⁰og a-Si:H¹¹) har aktivert realisering av svært effektive flate optiske enheter med optiske metaoverflater. Disse enhetene har applikasjoner innen optikk og engineering. En spennende applikasjon er optisk holografi for prosjektiv volumetrisk skjerm og informasjonskryptering. Sammenlignet med konvensjonelle hologrammer som bruker romlige lysmodulatorer, har metahologramet mange fordeler som miniatyrisering av optisk oppsett, høyere oppløsning av holografiske bilder og større synsfelt.

Nylig har koding av flere holografiske opplysninger i en enlags metahologramenhet blitt oppnådd. Eksempler inkluderer metaholograms som er multipleksed i spinn^12,13, orbital kantete momentum¹⁴, hendelsen lys vinkel¹⁵, og retning¹⁶. Disse tiltakene har overvunnet den kritiske mangelen på metaholograms, som er mangel på designfrihet i en enkelt enhet. De fleste konvensjonelle metaholograms kunne bare produsere enkelt kodede holografiske bilder, men multipleksede enheter kan kode flere holografiske bilder i sanntid. Derfor er multipleksed metahologram en avgjørende løsningsplattform mot ekte holografisk videoskjerm eller multifunksjonelle anticounterfeiting hologrammer.

Rapportert her er protokoller for å fremstille spin- og retning-multipleksede all-dielektriske synlige metaholograms, deretter å optisk karakterisere dem^13,16. For å kode flere visuelle opplysninger i en enkelt metasurface enhet, metaholograms er utformet som viser to forskjellige holografiske bilder når spinn eller retning av hendelsen lys endres. For å fremstille svært effektive holografiske bilder på en måte som kan sammenlignes med CMOS-teknologi, brukes a-Si:H til metaoverflatene og doble magnetiske resonanser og antiferromagnetiske resonanser indusert inne i dem utnyttes. Fabrikasjonsprotokollen består av filmdeponering, elektronstråleskriving og etsning. Den fabrikkerte enheten er preget ved hjelp av et tilpasset optisk oppsett bestående av en laser, en lineær polarisator, en kvart bølgeplate, et objektiv og en lade-skrevet enhet (CCD).

Protocol

1. Enhetsfabrikasjon MERK: Figur 1 viser fabrikasjonsprosessen til a-Si:H-metaoverflatene17. Forbered et smeltet silikawaferstykke (størrelse = 2 cm x 2 cm, tykkelse = 500 μm) som substrat. Skyll underlaget med aceton og isopropylalkohol (IPA) og blås deretter nitrogengass over underlaget for å tørke den. Deponer en 380 nm tykk a-Si:H-film på underlaget ved hjelp av plasmaforbedret kjemisk dampdeponering (PECVD) me…

Representative Results

A-Si:H-metaoverflatene muliggjør høy krysspolariseringseffektivitet og kan fremstilles ved hjelp av en metode (figur 1) som er kompatibel med CMOS; denne egenskapen kan muliggjøre skalerbar fabrikasjon og nær fremtid kommersialisering. SEM-bildet viser de fabrikkerte a-Si:H-metaoverflatene (figur 2). Videre har a-Si: H en større brytningsindeks enn TiO2 og GaN, så selv med lavt sideforhold nanostruktur på rundt 4,7, kan et a-SiH meta-hologram m…

Discussion

A-Si:H-metaoverflatene ble fabrikkert i tre hovedtrinn: a-Si:H tynnfilmavsetning ved hjelp av PECVD, presis EBL og tørr etsning. Blant disse trinnene er EBL-skriveprosessen det viktigste. For det første er mønstertettheten på metaoverflatene ganske høy, så prosessen krever nøyaktig kontroll over elektrondosen (energi) og skanneparametere som antall prikker per enhetsområde. Utviklingstilstanden bør også velges nøye. Tettheten av mønsteret er svært høy, så når utviklingsprosessen gjøres øyeblikkelig, er …

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