डिइलेक्ट्रिक मेटासर्फेस द्वारा समान तीव्रता बीम पीढ़ी का प्रदर्शन
Summary
परावैद्युत मेटासर्फेस के निर्माण और ऑप्टिकल अभिरूपण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है। इस विधि न केवल बीम splitters के निर्माण के लिए लागू किया जा सकता है, लेकिन यह भी सामान्य परावैद्युत metasurfaces, जैसे लेंस, होलोग्राम, और ऑप्टिकल क्लोक के रूप में.
Abstract
एक मेटासर्फ़ बीम विभाजक के लिए निर्माण और विशेषता प्रोटोकॉल, समान तीव्रता बीम पीढ़ी को सक्षम करने, प्रदर्शन किया है। हाइड्रोजनीकृत अक्रिस्टलीय सिलिकॉन (ए-सी:एच) प्लाज्मा-एन्हांस्ड रासायनिक वाष्प निक्षेप (पीईसीवीडी) का उपयोग करके, फ्यूज सिलिका सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। वाष्पीकरण द्वारा जमा ठेठ अक्रिस्टलीय सिलिकॉन गंभीर ऑप्टिकल हानि का कारण बनता है, दृश्य आवृत्तियों पर आपरेशन imping. अक्रिस्टलीय सिलिकॉन पतली फिल्म के अंदर हाइड्रोजन परमाणुओं संरचनात्मक दोषों को कम कर सकते हैं, ऑप्टिकल नुकसान में सुधार. दृश्य आवृत्तियों में मेटासर्फेस के संचालन के लिए कुछ सैकड़ों नैनोमीटरों की नैनोस्ट्रक्चर की आवश्यकता होती है। विवर्तन सीमा के कारण ऐसी छोटी संरचनाओं को तैयार करते समय परम्परागत फोटोलिथोग्राफी या प्रत्यक्ष लेजर लेखन संभव नहीं है। अतः इलेक्ट्रॉन किरण पुंज लिथोग्राफी (ईबीएल) का उपयोग पतली फिल्म पर क्रोमियम (ब्र) मास्क को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, उजागर विरोध रासायनिक प्रतिक्रिया को धीमा और पैटर्न किनारों तेज बनाने के लिए एक ठंडे तापमान पर विकसित की है। अंत में, ए-सी:एच मुखौटा के साथ etched है, आगमनात्मक युग्मित प्लाज्मा-प्रतिक्रियाशील आयन etching (आईसीपी-आरईआई) का उपयोग कर। EBL के कम थ्रूपुट के कारण बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए प्रदर्शन विधि संभव नहीं है, लेकिन इसे नैनोछाप लिथोग्राफी के साथ संयोजन करके सुधार किया जा सकता है। गढ़े डिवाइस एक लेजर, polarizer, लेंस, बिजली मीटर, और चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) से मिलकर एक अनुकूलित ऑप्टिकल सेटअप की विशेषता है. लेजर तरंगदैर्ध्य और ध्रुवण को बदलकर विवर्तन गुणगुणों को मापा जाता है। मापा diffracted बीम शक्तियों हमेशा बराबर हैं, घटना ध्रुवीकरण की परवाह किए बिना, साथ ही तरंगदैर्ध्य.
Introduction
दो आयामी subwavelength एंटीना सरणियों से मिलकर Metasurfaces कई आशाजनक ऑप्टिकल कार्यक्षमताओं का प्रदर्शन किया है, इस तरह के रंगीन लेंस के रूप में1,2, होलोग्राम3,4,5 ,6, और ऑप्टिकल लबादा7. पारंपरिक भारी ऑप्टिकल घटकों ultrathin metasurfaces के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जबकि मूल functionalities को बनाए रखने. उदाहरण के लिए, एक बीम विपाटक एक ऑप्टिकल डिवाइस दो बीम में एक घटना बीम अलग करने के लिए प्रयोग किया जाता है। ठेठ बीम splitters दो त्रिकोणीय प्रिज्म के संयोजन के द्वारा किया जाता है. चूंकि उनके इंटरफ़ेस विशेषताओं बीम बंटवारे गुण निर्धारित करते हैं, यह कार्यात्मक गिरावट के बिना शारीरिक आकार को कम करने के लिए मुश्किल है. दूसरी ओर, अल्ट्राथिन बीम स्प्लिटर्स को एक आयामी रैखिक प्रावस्था प्रवणता8,9 के साथ इनकोडिंग मेटासर्फेस के साथ महसूस किया जा सकताहै। metasurfaces की मोटाई उनके काम तरंगदैर्ध्य से कम है, और जुदाई गुण चरण वितरण द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है.
हमने एक मेटासर्फर बीम विभाजक तैयार किया है जो घटना ध्रुवण राज्यों10की परवाह किए बिना समान तीव्रता बीम उत्पन्न कर सकता है। यह विशेषता एक फूरिये होलोग्राम से आता है. एक काली पृष्ठभूमि पर दो सफेद धब्बे की छवि के कारण, metasurface से उत्पन्न होलोग्राम इनकोडिंग छवि के रूप में ही है. फूरिये होलोग्राम एक विशिष्ट फोकल लंबाई नहीं है, तो इनकोडिंग छवि मेटासर्फ11के पीछे पूरे अंतरिक्ष में मनाया जा सकता है. एक ही दो जगह छवि metasurface के पीछे उत्पन्न होता है, तो यह भी एक बीम विभाजक के रूप में काम करता है. मेटासर्फर द्वारा फूरिये होलोग्राम एक उल्टे छवि बनाता है, जिसे ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण राज्यों के संबंध में एक जुड़वां छवि कहा जाता है। जुड़वां छवि आम तौर पर शोर के रूप में माना जाता है. हालांकि, इस मेटासर्फमेंड में इनकोडिंग दो-स्पॉट छवि मूल-सममित है, जिसके परिणामस्वरूप मूल और जुड़वां छवियों का एक पूर्ण ओवरलैप होता है। चूंकि किसी भी ध्रुवीकरण राज्यों दाएँ हाथ (आरसीपी) और बाएँ हाथ (LCP) परिपत्र polarizations के एक रैखिक संयोजन द्वारा प्रतिनिधित्व किया जा सकता है, यहाँ वर्णित डिवाइस ध्रुवीकरण स्वतंत्र कार्यक्षमता से पता चलता है.
यहाँ, हम परावैद्युत मेटासर्फेस के निर्माण और ऑप्टिकल विशेषता के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं जिससे समान तीव्रता बीम पीढ़ी सक्षम होती है। इस उपकरण का चरण वितरण जर्चबर्ग-सैक्सन (जी एस) एल्गोरिथ्म से प्राप्त किया जाता है, जिसका उपयोग आम तौर पर चरण-केवल होलोग्राम12के लिए किया जाता है। ए-सी: 300 एनएम मोटी की एच PECVD का उपयोग कर, जुड़े सिलिका सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। एक Cr मास्क A-Si:H फिल्म पर परिभाषित किया गया है, EBL का उपयोग कर. मास्क पैटर्न जीएस एल्गोरिथ्म से व्युत्पन्न चरण वितरण से मेल खाती है। आईसीपी-आरईई का शोषण सीआर मास्क के साथ ए-सी:एच फिल्म को etch करने के लिए किया जाता है। सीआर मास्क के बाकी नमूने के निर्माण को अंतिम रूप देने के लिए सीआर etchant द्वारा हटा दिया जाता है। गढ़े metasurface के ऑप्टिकल कार्यक्षमता एक अनुकूलित ऑप्टिकल सेटअप का उपयोग कर विशेषता है। जब एक लेजर बीम मेटासर्फर के लिए घटना है, संचारित बीम तीन भागों में विभाजित है, अर्थात् दो diffracted बीम और एक शून्य क्रम बीम. विवर्तित बीम घटना बीम पथ के विस्तार से विचलित होते हैं जबकि शून्य क्रम बीम इसका अनुसरण करता है। इस डिवाइस की कार्यक्षमता को सत्यापित करने के लिए, हम क्रमशः एक शक्ति मीटर, सीसीडी, और प्रोट्रैक्टर का उपयोग कर बीम शक्ति, बीम प्रोफ़ाइल, और diffracted कोण मापा।
सभी निर्माण प्रक्रियाओं और सामग्री का इस्तेमाल किया लक्ष्य कार्यक्षमता के लिए अनुकूलित कर रहे हैं. दृश्य काम कर आवृत्तियों के लिए, व्यक्तिगत एंटीना आकार नैनोमीटर के कुछ सैकड़ों होना चाहिए, और सामग्री ही दिखाई तरंगदैर्ध्य पर एक कम ऑप्टिकल हानि होनी चाहिए. ऐसी छोटी संरचनाओं को परिभाषित करते समय केवल कुछ प्रकार के निर्माण विधियों पर लागू होते हैं। विशिष्ट फोटोलिथोग्राफी, साथ ही प्रत्यक्ष लेजर लेखन, विवर्तन सीमा के कारण निर्माण में असमर्थ हैं। केंद्रित आयन बीम मिलिंग इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन गैलियम संदूषण के महत्वपूर्ण मुद्दे हैं, पैटर्न डिजाइन निर्भरता, और धीमी प्रक्रिया की गति. व्यावहारिक रूप से, EBL दृश्य आवृत्तियों13पर काम कर रहे metasurfaces के निर्माण की सुविधा के लिए एक ही रास्ता है.
Dielectrics आमतौर पर धातुओं की अपरिहार्य ओहिक हानि के कारण पसंद कर रहे हैं. एक-Si:H के ऑप्टिकल नुकसान हमारे उद्देश्य के लिए काफी कम है. हालांकि एक-Si के ऑप्टिकल नुकसान के रूप में कम हानि इस तरहके टाइटेनियम डाइऑक्साइड 1,4 और क्रिस्टलीय सिलिकॉन14के रूप में कम के रूप में नहीं है, एक-Si:H का निर्माण बहुत आसान है। ठेठ वाष्पीकरण और sputtering प्रक्रियाओं एक ए-सी:एच फिल्म के जमा करने में सक्षम नहीं हैं। PECVD आमतौर पर आवश्यक है. पीईसीवीडी प्रक्रिया के दौरान, सीएच4 और एच2 गैसों से कुछ हाइड्रोजन परमाणु सिलिकॉन परमाणुओं में फंस जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ए-सी:एच फिल्म होती है। a-Si:H पैटर्न को परिभाषित करने के दो तरीके हैं। एक है ए-सी:एच का एक पैटर्न वाले फोटो-रिसिस्ट पर, उसके बाद लिफ्ट-ऑफ प्रक्रिया पर, और दूसरा ए-सी:एच फिल्म पर एक नक़्श मास्क को परिभाषित करके है, जिसके बाद निक्षालन प्रक्रिया होती है। पूर्व वाष्पीकरण प्रक्रियाओं के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है, लेकिन यह वाष्पीकरण का उपयोग कर एक-Si:H फिल्म जमा करने के लिए आसान नहीं है। इसलिए, उत्तरार्द्ध एक-Si:H पैटर्न बनाने के लिए इष्टतम तरीका है। सीआर सिलिकॉन के साथ अपनी उच्च उत्कीर्णन चयनात्मकता की वजह से उत्कीर्णन मुखौटा सामग्री के रूप में प्रयोग किया जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
कुछ निर्माण कदम ध्यान से आयोजित किया जाना चाहिए, एक metasurface कि मूल डिजाइन के रूप में ही है उत्पन्न करने के लिए. विरोध विकास प्रक्रिया में, एक कम तापमान समाधान आमतौर पर पसंद किया जाता है। मानक स्थिति कमरे का त…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम राष्ट्रीय अनुसंधान फाउंडेशन अनुदान (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D105898, NRF-2015R1A5A1037668) द्वारा वित्त पोषित है।
Materials
| Plasma enhanced chemical vapor deposition | BMR Technology | HiDep-SC | |
| Electron beam lithography | Elionix | ELS-7800 | |
| E-beam evaporation system | Korea Vacuum Tech | KVE-E4000 | |
| Inductively-coupled plasma reactive ion etching | DMS | – | |
| Ultrasonic cleaner | Honda | W-113 | |
| E-beam resist | MICROCHEM | 495 PMMA A2 | |
| Resist developer | MICROCHEM | MIBK:IPA=1:3 | |
| Conducting polymer | Showa denko | E-spacer | |
| Chromium etchant | KMG | CR-7 | |
| Acetone | J.T. Baker | 925402 | |
| 2-propanol | J.T. Baker | 909502 | |
| Chromium evaporation source | Kurt J. Lesker | EVMCR35D | |
| Collimated laser diode module | Thorlabs | CPS-635 | wavelength: 635 nm |
| ND:YAG laser | GAM laser | GAM-2000 | wavelength: 532 nm |
| power meter | Thorlabs | S120VC | |
| CCD Camera | INFINITY | infinity2-2M | |
| ND filter | Thorlabs | NCD-50C-4-A | |
| Linear polarizer | Thorlabs | LPVISA100-MP2 | |
| Lens | Thorlabs | LB1676 | |
| Iris | Thorlabs | ID25 | |
| Circular polarizer | Edmund optics | 88-096 | |
| sample holder | Thorlabs | XYFM1 | |
| PECVD software | BMR Technology | HIDEP |
Referências
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