Demonstration von Spin-Multiplexed und Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metahologramme

Summary

Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von spin- und richtungsmultiplexed sichtbaren Metahologrammen und führen dann ein optisches Experiment durch, um deren Funktion zu überprüfen. Diese Metahologramme können leicht codierte Informationen visualisieren, so dass sie für projektive volumetrische Anzeige und Informationsverschlüsselung verwendet werden können.

Abstract

Die optische Holographietechnik, die von Metaoberflächen realisiert wird, hat sich als neuartiger Ansatz für die projektive volumetrische Anzeige und Informationsverschlüsselungsanzeige in Form von ultradünnen und fast flachen optischen Geräten herausgebildet. Im Vergleich zur herkömmlichen holographischen Technik mit räumlichen Lichtmodulatoren hat das Metahologramm zahlreiche Vorteile wie Miniaturisierung optischer Einrichtung, höhere Bildauflösung und größeres Sichtbarkeitsfeld für holographische Bilder. Hierwird wird ein Protokoll zur Herstellung und optischen Charakterisierung optischer Metahologramme gemeldet, die empfindlich auf die Drehung und Richtung des einfallenden Lichts reagieren. Die Metaoberflächen bestehen aus hydriertem amorphem Silizium (a-Si:H), das einen großen Brechungsindex und einen kleinen Aussterbekoeffizienten im gesamten sichtbaren Bereich aufweist, was zu einer hohen Transmissions- und Beugungseffizienz führt. Das Gerät erzeugt verschiedene holographische Bilder, wenn die Drehung oder Richtung des einfallenden Lichts geschaltet wird. Daher können sie mehrere Arten visueller Informationen gleichzeitig kodieren. Das Fertigungsprotokoll besteht aus Filmabscheidung, Elektronenstrahlschrift und anschließender Ätzung. Das gefertigte Gerät kann durch ein maßgeschneidertes optisches Setup charakterisiert werden, das aus einem Laser, einem linearen Polarisator, einer Viertel-Wellenplatte, einer Linse und einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD) besteht.

Introduction

Optische Metaoberflächen, die aus Subwellenlängen-Nanostrukturen bestehen, haben viele interessante optische Phänomene ermöglicht, einschließlich optischer Tarnung¹, negative Brechung², perfekte Lichtabsorption³, Farbfilterung⁴, holographische Bildprojektion⁵und Strahlmanipulation^6,7,8. Optische Metaflächen mit entsprechend entwickelten Streuern können das Spektrum, die Wellenfront und die Polarisation des Lichts modulieren. Frühe optische Metaoberflächen wurden aufgrund ihrer hohen Reflektivität und der einfachen Nanofertigung hauptsächlich mit Edelmetallen (z.B. Au, Ag) hergestellt, haben aber hohe Ohmscheverluste, so dass die Metaoberflächen bei kurzen sichtbaren Wellenlängen einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.

Die Entwicklung von Nanofabrikationstechniken für dielektrische Materialien mit geringen Verlusten bei sichtbarem Licht (z.B. TiO₂⁹, GaN¹⁰und a-Si:H¹¹) hat die Realisierung hocheffizienter flacher optischer Geräte mit optischen Metaflächen ermöglicht. Diese Geräte haben Anwendungen in Optik und Technik. Eine faszinierende Anwendung ist die optische Holographie für projektive volumetrische Anzeige und Informationsverschlüsselung. Im Vergleich zu herkömmlichen Hologrammen, die räumliche Lichtmodulatoren verwenden, hat das Metahologramm zahlreiche Vorteile wie die Miniaturisierung optischer Einstellungen, eine höhere Auflösung holographischer Bilder und ein größeres Sichtbarkeitsfeld.

Kürzlich wurde die Codierung mehrerer holographischer Informationen in einem einschichtigen Metahologramm-Gerät erreicht. Beispiele sind Metahologramme, die in Spin^12,13, Orbitalwinkelimpuls¹⁴, einfallender Lichtwinkel¹⁵und Richtung¹⁶. Diese Bemühungen haben das kritische Manko von Metahologrammen überwunden, was ein Mangel an Gestaltungsfreiheit in einem einzigen Gerät ist. Die meisten konventionellen Metahologramme konnten nur einzelne codierte holographische Bilder erzeugen, aber Multiplex-Geräte können mehrere holographische Bilder in Echtzeit kodieren. Daher ist das Multiplex-Metahologramm eine entscheidende Lösungsplattform für echte holographische Videoanzeige oder multifunktionale Anti-Fälschungs-Hologramme.

Hier werden Protokolle zur Herstellung von spin- und richtungsmultiplexierten alldielektrischen sichtbaren Metahologrammen gemeldet, um sie dann optisch zu charakterisieren^13,16. Um mehrere visuelle Informationen in einem einzigen Metaoberflächengerät zu kodieren, werden Metahologramme entworfen, die zwei verschiedene holographische Bilder zeigen, wenn die Drehung oder Richtung des einfallenden Lichts geändert wird. Um hocheffiziente holographische Bilder in einer mit der CMOS-Technologie vergleichbaren Weise herzustellen, wird a-Si:H für die Metaoberflächen verwendet und zwei Magnetresonanzen und in ihnen induzierte Antiferromagnetresonanzen genutzt. Das Fertigungsprotokoll besteht aus Filmabscheidung, Elektronenstrahlschrift und Ätzen. Das gefertigte Gerät zeichnet sich durch ein maßgeschneidertes optisches Setup aus einem Laser, einem linearen Polarisator, einer Viertel-Wellenplatte, einer Linse und einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD) aus.

Protocol

1. Gerätefertigung ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt den Herstellungsprozess von a-Si:H Metaflächen17. Bereiten Sie ein geschmolzenes Kieselsäure-Waferstück (Größe = 2 cm x 2 cm, Dicke = 500 m) als Substrat vor. Spülen Sie das Substrat mit Aceton und Isopropylalkohol (IPA) und blasen Sie dann Stickstoffgas über das Substrat, um es zu trocknen. Legen Sie eine 380 nm dicke a-Si:H-Folie auf dem Substrat mit plasmaverstä…

Representative Results

Die a-Si:H-Metaflächen ermöglichen eine hohe Crosspolarisationseffizienz und können mit einer Methode (Abbildung 1) hergestellt werden, die mit CMOS kompatibel ist; Diese Eigenschaft kann eine skalierbare Fertigung und eine nahezu zukünftige Kommerzialisierung ermöglichen. Das SEM-Bild zeigt die hergestellten a-Si:H-Metaflächen (Abbildung 2). Darüber hinaus hat a-Si:H einen größeren Brechungsindex als TiO2 und GaN, so dass auch bei einer Nano…

Discussion

Die a-Si:H Metaoberflächen wurden in drei Hauptschritten hergestellt: a-Si:H Dünnschichtabscheidung mit PECVD, präzise Rine und Trockenätzung. Unter diesen Schritten ist der EBL-Schreibprozess der wichtigste. Erstens ist die Musterdichte auf Metaoberflächen recht hoch, so dass der Prozess eine präzise Kontrolle über die Elektronendosis (Energie) und Scanparameter wie die Anzahl der Punkte pro Flächeneinheit erfordert. Auch der Entwicklungszustand sollte sorgfältig gewählt werden. Die Dichte des Musters ist sehr…

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