Démonstration de métahologrammes visibles all-diélectriques spin-multiplexés et multixés

Summary

Nous présentons un protocole pour la fabrication de métahologrammes visibles spin-et direction multiplexed, puis effectuer une expérience optique pour vérifier leur fonction. Ces métahologrammes peuvent facilement visualiser les informations codées, de sorte qu’ils peuvent être utilisés pour l’affichage volumétrique projectif et le chiffrement de l’information.

Abstract

La technique d’holographie optique réalisée par les métasurfaces est apparue comme une nouvelle approche de l’affichage volumétrique projectif et de l’affichage de chiffrement de l’information sous la forme d’appareils optiques ultrachin et presque plats. Comparé à la technique holographique conventionnelle avec des modulateurs de lumière spatiale, le métahologramme présente de nombreux avantages tels que la miniaturisation de la configuration optique, une résolution d’image plus élevée et un champ de visibilité plus important pour les images holographiques. Ici, un protocole est signalé pour la fabrication et la caractérisation optique des métahologrammes optiques qui sont sensibles à la rotation et à la direction de la lumière incidente. Les métasurfaces sont composées de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), qui a un indice de réfraction important et un faible coefficient d’extinction dans toute la gamme visible résultant en une forte transmission et efficacité de diffraction. L’appareil produit différentes images holographiques lorsque la rotation ou la direction de la lumière incidente sont commutées. Par conséquent, ils peuvent coder plusieurs types d’informations visuelles simultanément. Le protocole de fabrication se compose de dépôt de film, d’écriture de faisceau d’électrons et de gravure ultérieure. L’appareil fabriqué peut être caractérisé à l’aide d’une configuration optique personnalisée qui se compose d’un laser, d’un polariseur linéaire, d’un quart de plaque d’onde, d’une lentille et d’un dispositif couplé à la charge (CCD).

Introduction

Les métasurfaces optiques composées de nanostructures sous-longueur d’onde ont permis de nombreux phénomènes optiques intéressants, y compris le camouflage optique¹, la réfraction négative², l’absorption parfaite de lumière³, le filtrage de couleur⁴, la projection d’image holographique⁵, et la manipulation de faisceau^6,7,8. Les métasurfaces optiques qui ont des disperseurs conçus de manière appropriée peuvent moduler le spectre, le front d’onde et la polarisation de la lumière. Les premières métasurfaces optiques ont été principalement fabriquées à l’aide de métaux nobles (p. ex., Au, Ag) en raison de leur forte réflectivité et de leur facilité de nanofabrication, mais elles ont des pertes ohmiques élevées, de sorte que les métasurfaces ont une faible efficacité à de courtes longueurs d’onde visibles.

Le développement de techniques de nanofabrication pour les matériaux diélectriques qui ont de faibles pertes en lumière visible (par exemple, TiO₂⁹, GaN¹⁰, et a-Si:H¹¹) a permis la réalisation de dispositifs optiques plats très efficaces avec des métasurfaces optiques. Ces appareils ont des applications dans l’optique et l’ingénierie. Une application intrigante est l’holographie optique pour l’affichage volumétrique projectif et le chiffrement de l’information. Comparé aux hologrammes conventionnels qui utilisent des modulateurs de lumière spatiale, le métahologramme présente de nombreux avantages tels que la miniaturisation de la configuration optique, une résolution plus élevée des images holographiques et un champ de visibilité plus vaste.

Récemment, l’encodage de multiples informations holographiques dans un dispositif de métahologramme à couches uniques a été réalisé. Les exemples incluent les métahologrammes qui sont multiplexés dans le spin^12,13, l’élan angulaire orbital¹⁴, angle de lumière incident¹⁵, et la direction¹⁶. Ces efforts ont surmonté les défauts critiques des métahologrammes, qui est un manque de liberté de conception dans un seul appareil. La plupart des métahologrammes conventionnels ne pouvaient produire que des images holographiques codées simples, mais le dispositif multiplexé peut coder plusieurs images holographiques en temps réel. Par conséquent, le métahologramme multiplexé est une plate-forme de solution cruciale vers l’affichage vidéo holographique réel ou les hologrammes anticomptations multifonctionnelles.

Rapporté ici sont des protocoles pour fabriquer spin- et direction multiplexé métahologrammes visibles tout-diélectrique, puis pour les caractériser optiquement^13,16. Pour coder plusieurs informations visuelles dans un seul dispositif de métasurface, des métahologrammes sont conçus qui montrent deux images holographiques différentes lorsque la rotation ou la direction de la lumière incidente sont modifiées. Pour fabriquer des images holographiques très efficaces d’une manière comparable à la technologie CMOS, a-Si:H est utilisé pour les métasurfaces et les deux résonances magnétiques et les résonances antiferromagnétiques induites à l’intérieur d’eux sont exploités. Le protocole de fabrication se compose de dépôt de film, d’écriture de faisceau d’électrons et de gravure. L’appareil fabriqué est caractérisé à l’aide d’une configuration optique personnalisée composée d’un laser, d’un polariseur linéaire, d’un quart de plaque d’onde, d’une lentille et d’un dispositif couplé à la charge (CCD).

Protocol

1. Fabrication d’appareils REMARQUE : La figure 1 montre le processus de fabrication des métasurfaces a-Si:H17. Préparer une pièce de gaufrette de silice fusionnée (taille = 2 cm x 2 cm, épaisseur = 500 μm) sous forme de substrat. Rincer le substrat avec de l’acétone et de l’alcool isopropyle (IPA), puis souffler l’azote gazeux sur le substrat pour le sécher. Déposez un film a-Si:H d’épaisseur de 380 …

Representative Results

Les métasurfaces a-Si:H permettent une efficacité de polarisation croisée élevée et peuvent être fabriquées à l’aide d’une méthode (figure 1)compatible avec CMOS; ce trait peut permettre une fabrication évolutive et une commercialisation à proximité de l’avenir. L’image SEM montre les métasurfaces a-Si:H fabriquées (Figure 2). En outre, a-Si:H a un indice de réfraction plus grand que TiO2 et GaN, de sorte que même avec une nano…

Discussion

Les métasurfaces a-Si:H ont été fabriquées en trois étapes principales : le dépôt de film mince a-Si:H à l’aide de PECVD, d’EBL précis et de gravure sèche. Parmi ces étapes, le processus d’écriture eBL est le plus important. Tout d’abord, la densité de motifs sur les métasurfaces est assez élevée, de sorte que le processus nécessite un contrôle précis sur la dose d’électron (énergie) et les paramètres de balayage tels que le nombre de points par zone unitaire. L’état de développement d…

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