Demonstration av Spin-Multiplexed och riktning-Multiplexed All-Dielektriska synliga metahologram

Summary

Vi presenterar ett protokoll för tillverkning av spinn- och riktning-multiplexed synliga metahologram, sedan genomföra ett optiskt experiment för att verifiera deras funktion. Dessa metahologram kan enkelt visualisera kodad information, så att de kan användas för projektiv volymetrisk visning och informationskryptering.

Abstract

Den optiska holografitekniken som realiseras av metaytor har vuxit fram som en ny metod för projektiv volymetrisk display och informationskrypteringsdisplay i form av ultratunna och nästan platta optiska enheter. Jämfört med den konventionella holografiska tekniken med spatiala ljusmodulatorer har metahologrammet talrika fördelar som miniatyrisering av optisk uppställning, högre bildupplösning och större synbarhetsfält för holografiska bilder. Här rapporteras ett protokoll för tillverkning och optisk karakterisering av optiska metahologram som är känsliga för rotation och riktning av infallande ljus. Metaytorna består av hydrogenerad amorft kisel (a-Si:H), som har stort brytningsindex och liten extinktionskoefficient i hela det synliga området vilket resulterar i hög transmittans och diffraktionseffektivitet. Enheten producerar olika holografiska bilder när snurra eller riktning av infallande ljus är strömkopplade. Därför kan de koda flera typer av visuell information samtidigt. Fabricationsprotokollet består av filmdeposition, elektronstråleskrivning och efterföljande etsning. Den fabricerade enheten kan karakteriseras med hjälp av en anpassad optisk setup som består av en laser, en linjär polarisator, en fjärdedel vågplatta, en lins och en laddning-kopplade enhet (CCD).

Introduction

Optiska metaytor som består av sub-våglängd nanostrukturer har möjliggjort många intressanta optiska fenomen, inklusive optisk cloaking¹, negativ refraktion², perfekt ljus absorption³, färgfiltrering⁴, holografisk bildprojektion⁵, och strålen manipulation^6,7,8. Optiska metaytor som har lämpligt utformade scatterers kan modulera spektrum, vågfront och polarisering av ljus. Tidiga optiska metaytor tillverkades huvudsakligen med hjälp av ädla metaller (t.ex., Au, Ag) på grund av deras höga reflektionsförmåga och lätthet av nanofabricering, men de har höga Ohmic förluster, så metaytorna har låg effektivitet vid korta synliga våglängder.

Utveckling av nanofabriceringstekniker för dielektriska material som har låga förluster i synligt ljus (t.ex. TiO₂⁹, GaN¹⁰, och a-Si:H¹¹) har möjliggjort förverkligande av högeffektiva platta optiska enheter med optiska metaytor. Dessa enheter har tillämpningar inom optik och teknik. En spännande applikation är optisk holografi för projektiv volymetrisk display och informationskryptering. Jämfört med konventionella hologram som använder spatial ljusmodulatorer, metahologrammet har många fördelar såsom miniatyrisering av optiska setup, högre upplösning av holografiska bilder och större fält av synlighet.

Nyligen har encoding av flera holografisk information i en enda lager metahologram enhet uppnåtts. Exempel är metahologram som är multiplexerade i spinn^12,13, orbital rörelsemängdsmoment¹⁴, infallande^{ljusvinkel 15}och riktning¹⁶. Dessa ansträngningar har övervunnit den kritiska bristen på metahologram, vilket är en brist på designfrihet i en enda enhet. De flesta konventionella metahologram kunde bara producera enstaka kodade holografiska bilder, men multiplexerad enhet kan koda flera holografiska bilder i realtid. Därav, multiplexed metahologram är en avgörande lösning plattform mot verkliga holografisk video display eller multifunktionella anticounterfeiting hologram.

Rapporteras här är protokoll för att fabricera spin- och riktning-multiplexed all-dielektriska synliga metahologram, sedan att optiskt karakterisera^{dem 13,16}. För att koda flera visuella information i en enda metayta enhet, metahologram är utformade som visar två olika holografiska bilder när snurra eller riktning infallande ljus ändras. För att fabricera högeffektiva holografiska bilder på ett sätt som är jämförbart med CMOS-tekniken, används a-Si:H för metaytorna och dubbla magnetiska resonanser och antiferromagnetiska resonanser som induceras inuti dem utnyttjas. Tillverkningsprotokollet består av filmdeposition, elektronstrålesskrivande och etsning. Den fabricerade enheten kännetecknas med hjälp av en anpassad optisk setup består av en laser, en linjär polarisator, en fjärdedel waveplate, en lins och en laddning-kopplade enhet (CCD).

Protocol

1. Enhetens tillverkning OBS: Figur 1 visar tillverkningsprocessen av a-Si:H metaytor17. Bered en smält kiseldioxid wafer bit (storlek = 2 cm x 2 cm, tjocklek = 500 μm) som ett substrat. Skölj substratet med aceton och isopropylalkohol (IPA) och blås sedan kvävegas över substratet för att torka det. Deponera en 380 nm tjock a-Si:H-film på substratet med hjälp av plasmaförstärkad kemisk ångdeposition (PECVD) m…

Representative Results

den a-Si:H metaytor möjliggör hög korspolarisering effektivitet och kan fabriceras med en metod (Figur 1) som är kompatibel med CMOS; detta drag kan möjliggöra skalbar tillverkning och nära framtid kommersialisering. SEM-bilden visar de påhittade a-Si:H-metaytorna (bild 2). Vidare har a-Si:H ett större brytningsindex än TiO2 och GaN, så även med låg bildförhållande nanostruktur på runt 4,7, en a-SiH meta-hologram med hög diffraktion e…

Discussion

Den a-Si:H metaytor var fabricerade i tre stora steg: a-Si: H tunn film nedfall med hjälp av PECVD, exakt EBL, och torr etsning. Bland dessa steg är EBL-skrivprocessen den viktigaste. Först är mönstertätheten på metaytor ganska hög, så processen kräver exakt kontroll över elektrondosen (energi) och skanningsparametrar som antal punkter per enhetsområde. Utvecklingsvillkoret bör också väljas noggrant. Mönstrets täthet är mycket hög, så när utvecklingsprocessen görs omedelbart definieras inte de nanor…

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