Demonstrasjon av like-intensitet Beam Generation av dielektrisk Metasurfaces
Summary
En protokoll for fabrikasjon og optisk karakterisering av dielektrisk metasurfaces presenteres. Denne metoden kan brukes til fabrikasjon av ikke bare bjelke splitter, men også av generelle dielektrisk metasurfaces, som linser, hologrammer, og optiske kapper.
Abstract
Den fabrikasjon og karakterisering protokollen for en metasurface stråle splitter, slik at lik-intensitet strålen generasjon, er demonstrert. Hydrogenert amorfe silisium (a-si: H) er avsatt på smeltet silika underlaget, ved hjelp av plasma-forbedret kjemisk damp deponering (PECVD). Typisk amorfe silisium avsatt av fordampning forårsaker alvorlig optisk tap, impinging operasjonen ved synlige frekvenser. Hydrogen atomer inne i amorfe silisium tynn film kan redusere strukturelle defekter, forbedre optisk tap. Nanostrukturer av noen få hundre nanometer er nødvendig for drift av metasurfaces i de synlige frekvensene. Konvensjonelle Foto litografi eller direkte laser skriving er ikke gjennomførbart når fabrikere slike små strukturer, på grunn av Diffraksjon grensen. Derfor er elektronstråle litografi (EBL) benyttet for å definere en krom (CR) maske på tynn film. Under denne prosessen, den eksponerte motstå er utviklet ved en kald temperatur for å forsinke den kjemiske reaksjonen og gjøre mønsteret kantene skarpere. Til slutt, a-si: H er etset langs masken, ved hjelp av Induktivt kombinert plasma-reaktiv ion etsing (ICP-Rite). Den viste metoden er ikke gjennomførbart for stor skala fabrikasjon på grunn av den lave gjennomstrømningen av EBL, men det kan forbedres ved å kombinere det med nanoimprint litografi. Det fabrikasjon apparat er kjennetegnet av en tilpasses optisk setup bestå av en laser, polarisator, linsen, makt meter, og belaste-forente apparat (CCD). Ved å endre laser bølgelengden og polarisering er Diffraksjon egenskaper målt. Den målte diffracted strålen krefter er alltid like, uavhengig av hendelsen polarisering, samt bølgelengde.
Introduction
Metasurfaces bestående av to-dimensjonal subwavelength antenne arrays har vist mange lovende optiske funksjoner, for eksempel akromatisk linser1,2, hologrammer3,4,5 ,6og optisk kapper7. Konvensjonelle store optiske komponenter kan erstattes med ultratynne metasurfaces samtidig som de opprinnelige funksjonene opprettholdes. For eksempel er en stråle splitter en optisk enhet som brukes til å skille en hendelse stråle i to bjelker. Typiske bjelke splitter er laget ved å kombinere to trekantede prismer. Siden deres grensesnittegenskaper bestemme strålen splitting egenskaper, er det vanskelig å redusere den fysiske størrelsen uten funksjonell degradering. På den andre side, ultratynne stråle splitter kan innsett med metasurfaces kodet med en ettall-dimensjonal lineær Phase gradient8,9. Tykkelsen av metasurfaces er mindre enn deres arbeids bølgelengder, og separasjon Egenskaper kan styres av fase fordelingen.
Vi laget en metasurface bjelke splitter som kan generere like intensitet bjelker uavhengig av hendelsen polarisering statene10. Denne karakteristiske kommer fra et Fourier-hologram. På grunn av bildet av to hvite prikker på en svart bakgrunn, er generert hologram fra metasurface det samme som det kodede bildet. Fourier-hologram har ikke en spesifikk brennvidde, slik at det kodede bildet kan observeres i hele rommet bak metasurface11. Hvis det samme to-spot bildet genereres bak metasurface, fungerer det også som en stråle splitter. Den Fourier hologram av metasurface skaper en invertert bilde, som kalles en tvilling bilde, med hensyn til ortogonale polarisering statene. Det doble bildet anses vanligvis som støy. Den to-spot bilde kodet i denne metasurface er imidlertid opprinnelse-symmetrisk, noe som resulterer i en perfekt overlapping av den opprinnelige og doble bilder. Siden noen polarisering stater kan representeres av en lineær kombinasjon av høyrehendt (RCP) og venstrehendt (LCP) sirkulær polarisasjonene, enheten som er beskrevet her viser polarisering-uavhengig funksjonalitet.
Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon og optisk karakterisering av dielektrisk metasurfaces muliggjør like intensitet stråle generasjon. Fase fordelingen for denne enheten hentes fra Gerchberg-Saxton (GS) algoritmen, som vanligvis brukes for fase bare hologrammer12. a-si: H av 300 NM tykk er avsatt på smeltet silika underlaget, ved hjelp PECVD. En CR maske er definert på a-si: H film, ved hjelp EBL. Maske mønsteret tilsvarer fase fordelingen som er avledet fra GS-algoritmen. ICP-Rite utnyttes til å etse a-si: H-filmen langs CR masken. Resten av CR masken er fjernet av CR etsemiddelet avslutte prøven fabrikasjon. Den optiske funksjonaliteten til fabrikkert metasurface er karakterisert ved hjelp av en tilpasset optisk oppsett. Når en laserstråle er hendelsen til metasurface, er overført strålen delt inn i tre deler, nemlig to diffracted bjelker og en zeroth-Order Beam. De diffracted bjelkene avviker fra en forlengelse av hendelsen strålen banen mens zeroth-Order strålen følger den. For å verifisere funksjonaliteten til denne enheten, målte vi strålen strøm, stråle profil, og diffracted vinkel ved hjelp av en kraftmåler, CCD, og vinkelmåler, henholdsvis.
Alle fabrikasjon prosesser og materialer som brukes er optimalisert for målet funksjonalitet. For synlige arbeids frekvenser bør de enkelte antenne størrelsene være noen få hundre nanometer, og selve materialet bør ha et lavt optisk tap ved synlige bølgelengder. Bare noen få typer fabrikasjon metoder gjelder når definere slike små strukturer. Typiske Foto litografi, så vel som direkte laser skriving, er i stand til fabrikasjon på grunn av Diffraksjon grensen. Fokusert ion bjelke fresing kan brukes, men det er kritiske spørsmål om Gallium forurensning, mønster design avhengighet og langsom prosesshastighet. Praktisk talt, EBL er den eneste måten å lette fabrikasjon av metasurfaces arbeider ved synlige frekvenser13.
Dielektriske er vanligvis foretrukket på grunn av uunngåelig ohmsk tap av metaller. Den optiske tap av a-si: H er lav nok for vårt formål. Selv om det optiske tapet av a-si: h er ikke så lavt som lav-tap dielektriske som titandioksid1,4 og krystallinsk silisium14, fabrikasjon av a-si: H er mye enklere. Typiske fordampning og sputtering prosesser er ikke i stand til deponering av en a-si: H film. PECVD er vanligvis nødvendig. Under PECVD prosessen, noen hydrogenatomer fra SiH4 og H2 gasser er fanget blant silisium atomer, noe som resulterer i en a-si: H film. Det er to måter å definere a-si: H mønstre. Den ene er deponering av a-si: H på en mønstret photoresist, etterfulgt av lift-off prosessen, og den andre er ved å definere en etsing maske på a-si: H film, etterfulgt av etsing prosessen. Den førstnevnte er godt egnet til fordampning prosesser, men det er ikke lett å sette inn a-si: H film ved hjelp av fordampning. Derfor er sistnevnte den optimale måten å lage a-si: H mønstre. CR brukes som etsing maske materiale på grunn av sin høye etsing selektivitet med silisium.
Protocol
Representative Results
Discussion
Noe fabrikasjon skritt burde være gjennomført forsiktig, å utvikle en metasurface det er det likt idet originalen tegning. I motstå utviklingsprosessen foretrekkes en lav temperatur løsning vanligvis. Standardtilstanden er romtemperatur, men reaksjonshastigheten kan reduseres ved å redusere løsnings temperaturen til 0 ° c. Selv om den tilsvarende reaksjonstiden blir lengre, kan et finere mønster oppnås enn med standard forhold. Reaksjons tidskontrollen er også lett på grunn av den lave reaksjonshastigheten. E…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er økonomisk støttet av National Research Foundation Grants (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) finansiert av departementet for vitenskap og IKT (MSIT), Republikken Korea.
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 |
References
- 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).
