Демонстрация поколения равной интенсивности луча диэлектрическими метаповерхностями
Summary
Представлен протокол изготовления и оптической характеристики диэлектрических метаповерхностей. Этот метод может быть применен к изготовлению не только пучковых сплиттеров, но и общих диэлектрических метаповерхностей, таких как линзы, голограммы и оптические плащи.
Abstract
Демонстрируется протокол изготовления и характеристики сплиттера метаповерхностного луча, обеспечивающего выработку одинаковой интенсивности образования луча. Водородный аморфный кремний (a-Si:H) откладывается на срослом субстрате кремнезема с использованием плазменного химического осаждения паров (PECVD). Типичный аморфный кремний, отложенный путем испарения, вызывает серьезные оптические потери, посягая на работу на видимых частотах. Атомы водорода внутри аморфной кремниевой тонкой пленки могут уменьшить структурные дефекты, улучшая оптическую потерю. Для работы метаповерхностей на видимых частотах требуются наноструктуры в несколько сотен нанометров. Обычная фотолитография или прямое лазерное письмо непредставляется при изготовлении таких небольших структур из-за предела дифракции. Таким образом, электронная лучевая литография (EBL) используется для определения хромовой (Cr) маски на тонкой пленке. Во время этого процесса, подвергшееся сопротивлению разработан при холодной температуре, чтобы замедлить химическую реакцию и сделать края шаблона острее. Наконец, a-Si:H выгравируется вдоль маски, используя индуктивно соединенные плазмено-реактивные ионные травления (ICP-RIE). Продемонстрированный метод неосуществим для крупномасштабного изготовления из-за низкой пропускной записи EBL, но его можно улучшить, объединив его с литографией наноимпринта. Изготовленное устройство характеризуется настраиваемым оптическим устройством, состоящим из лазера, поляризатора, объектива, счетчика мощности и зарядного устройства (CCD). Изменяя длину волны и поляризацию лазерной волны, измеряются свойства дифракции. Измеренные диффратые лучи всегда равны, независимо от поляризации инцидента, а также длины волны.
Introduction
Метаповерхности, состоящие из двухмерных подволяновых антенных массивов, продемонстрировалимножество перспективных оптических функций, таких как ахроматические линзы 1,2, голограммы 3,4,5 ,6, и оптические плащи7. Обычные громоздкие оптические компоненты могут быть заменены ультратонкими метаповерхностями, сохраняя при этом первоначальную функциональность. Например, сплиттер пучка является оптическим устройством, используемым для разделения лучей инцидента на два луча. Типичные сплиттеры пучка сделаны путем объединения двух треугольных призм. Поскольку их характеристики интерфейса определяют свойства расщепления луча, трудно уменьшить физический размер без функциональной деградации. С другой стороны, ультратонкие сплиттеры пучка могут быть реализованы с помощьюметаповерхностей, закодированных одномерным линейным градиентом фазы 8,9. Толщина метаповерхностей меньше, чем их рабочие длины волн, а свойства разделения могут контролироваться распределением фаз.
Мы разработали сплиттер метаповерхности, который может генерировать равноинтенсивные лучи независимо от состояния поляризации инцидента10. Эта характеристика происходит от голограммы Фурье. Благодаря изображению двух белых пятен на черном фоне, сгенерированная голограмма с метаповерхности такая же, как и закодированное изображение. Голограмма Фурье не имеет определенного фокусного длины, поэтому закодированное изображение можно наблюдать во всем пространстве за метаповерхностью11. Если за метаповерхностью генерируется одно и то же двухточечное изображение, оно также работает как сплиттер луча. Голограмма Фурье по метаповерхности создает перевернутое изображение, которое называется двойным изображением, по отношению к состояниям ортогонализации. Двойное изображение обычно рассматривается как шум. Тем не менее, двухместное изображение, закодированное в этой метаповерхности, является источником-симметричным, что приводит к идеальному перекрытию исходных и двойных изображений. В виду того что любые положения поляризации могут быть представлены линейной комбинацией right-handed (RCP) и left-handed (LCP) круговой поляризации, прибор описанный здесь показывает поляризацию-независимую функциональность.
Здесь мы представляем протокол для изготовления и оптической характеристики диэлектрических метаповерхностей, позволяющих одноимную генерацию пучка. Фазовое распределение этого устройства извлекается из алгоритма Герхберг-Сакстон (GS), который обычно используется для фазовых голограмм12. a-Si:H толщиной 300 нм откладывается на срослом субстрате кремнезема с использованием PECVD. Маска Cr определяется на пленке a-Si:H с использованием EBL. Шаблон маски соответствует фазовому распределению, полученному из алгоритма GS. ICP-RIE используется для травления a-Si:H пленки вдоль маски Cr. Остальная часть маски Cr удаляется Cr etchant, завершающим изготовление образца. Оптическая функциональность изготовленного метаповерхности характеризуется с помощью индивидуальной оптической установки. Когда лазерный луч является инцидентом с метаповерхность, передаваемый луч делится на три части, а именно два диффравенных луча и один луч нулевого порядка. Диффраутированные лучи отклоняются от расширения пути луча инцидента, в то время как пучок нулевого порядка следует за ним. Чтобы проверить функциональность этого устройства, мы измерили силу луча, профиль луча и размножительный угол с помощью счетчика мощности, CCD и protractor, соответственно.
Все используемые процессы изготовления и материалы оптимизированы для целевой функциональности. Для видимых рабочих частот отдельные размеры антенны должны сосужаться в несколько сотен нанометров, а сам материал должен иметь низкую оптическую потерю на видимых длинах волн. При определении таких небольших структур применимы лишь несколько видов методов изготовления. Типичная фотолитография, а также прямое лазерное письмо, неспособны к изготовлению из-за предела дифракции. Сосредоточенный ионный луч фрезерования могут быть использованы, но Есть критические вопросы загрязнения галлия, шаблон дизайн зависимости, и медленная скорость процесса. Практически, EBL является единственным способом облегчить изготовление метаповерхностей, работающих на видимых частотах13.
Диэлектрики, как правило, предпочитают из-за неизбежной потери ohmic металлов. Оптическая потеря a-Si:H достаточно низка для нашей цели. Хотя оптическая потеря a-Si:H не так низко, как низкой потеридиэлектрики, такие как диоксид титана 1,4 и кристаллический кремний14, изготовление a-Si:H гораздо проще. Типичные процессы испарения и распыления не способны к осаждению пленки a-Si:H. PECVD обычно требуется. Во время процесса PECVD, некоторые атомы водорода из SiH4 и H2 газов оказались в ловушке среди атомов кремния, в результате чего a-Si:H пленки. Существует два способа определения шаблонов a-Si:H. Одним из них является осаждение a-Si:H на узорчатом фоторезистом, за которым следует процесс подъема, а другой – определение маски для травления на пленке a-Si:H, за которой следует процесс травления. Первый хорошо подходит для процессов испарения, но это не легко отойти на хранение a-Si:H пленки с помощью испарения. Таким образом, последний является оптимальным способом сделать a-Si:H шаблонов. Cr используется в качестве материала маски травления из-за его высокой селективности травления с кремнием.
Protocol
Representative Results
Discussion
Некоторые этапы изготовления должны быть проведены тщательно, чтобы создать метаповерхность, которая такая же, как первоначальный дизайн. В процессе разработки сопротивления, низкотемпературное решение, как правило, предпочтительнее. Стандартным условием является комнатная темпера?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансируется грантами Национального исследовательского фонда (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A10376668) финансируются Министерством науки и ИКТ (МСит), Республика Корея.
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
- Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
- Chen, W. T., et al. A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible. Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).
- Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
- Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Pragmatic Metasurface Hologram at Visible Wavelength: The Balance between Diffraction Efficiency and Fabrication Compatibility. ACS Photonics. 5 (5), 1643-1647 (2018).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. “Crypto-Display” in Dual-Mode Metasurfaces by Simultaneous Control of Phase and Spectral Responses. ACS Nano. 12 (7), 6421-6428 (2018).
- Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).
- Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter. Nature Communications. 5, 5386 (2014).
- Zhang, D., et al. Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces. Optics Letters. 43 (2), 267 (2018).
- Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting. Scientific Reports. 8 (1), 9468 (2018).
- Goodman, J. W. . Introduction to Fourier Optics. , (2005).
- Gerchberg, R. W., Saxton, W. O. A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures. Optik. 35 (2), 237-246 (1972).
- Yoon, G., Kim, I., Rho, J. Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials. Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).
- Zhou, Z., et al. Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light. ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).
- Dammann, H., Görtler, K. High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).
