스핀 멀티플렉스 및 방향 멀티플렉션 된 모든 유전체 가시 메타 홀로그램의 데모
Summary
우리는 스핀 및 방향 멀티플렉스 가시 대사장의 제조를위한 프로토콜을 제시한 다음 광학 실험을 수행하여 기능을 확인합니다. 이러한 메타홀로그램은 인코딩된 정보를 쉽게 시각화할 수 있으므로 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화에 사용할 수 있습니다.
Abstract
메타표면에서 실현한 광학 홀로그래피 기술은 초박형 및 거의 평평한 광학 장치의 형태로 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화 디스플레이에 대한 새로운 접근법으로 부상했습니다. 공간 광 변조기를 사용한 기존의 홀로그램 기술과 비교하여, 메타홀로그램은 광학 설정의 소형화, 더 높은 이미지 해상도 및 홀로그램 이미지에 대한 가시성의 더 큰 필드와 같은 수많은 장점을 가지고 있습니다. 여기서, 인시던트 라이트의 스핀 및 방향에 민감한 광학 메타홀로그램의 제조 및 광학 특성화를 위한 프로토콜이 보고된다. 상기 메타표면은 수소무정형 실리콘(a-Si:H)으로 구성되며, 이는 전체 가시 범위에서 큰 굴절지수와 소형 소멸 계수를 가지고 있어 높은 송신 및 회절 효율을 초래한다. 이 장치는 인시던트 라이트의 스핀 또는 방향을 전환할 때 서로 다른 홀로그램 이미지를 생성합니다. 따라서 여러 유형의 시각적 정보를 동시에 인코딩할 수 있습니다. 제조 프로토콜은 필름 증착, 전자 빔 쓰기 및 후속 에칭으로 구성됩니다. 제조된 장치는 레이저, 선형 편광기, 쿼터 파판, 렌즈 및 충전 결합 장치(CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정을 사용하여 특성화될 수 있습니다.
Introduction
서브 파장 나노 구조로 구성된 광학 메타표면은 광학 은폐1,음수 굴절2,완벽한 광 흡수3,컬러 필터링4,홀로그램 이미지 프로젝션5,빔 조작6,7,8을포함한 많은 흥미로운 광학현상을가능하게 하였다., 적절하게 설계된 산란체가 있는 광학 메타표면은 빛의 스펙트럼, 파면 및 편광을 조절할 수 있습니다. 초기 광학 메타표면은 주로 나노 제조의 높은 반사율과 용이성으로 인해 고귀한 금속(예: Au, Ag)을 사용하여 제작되었지만, 오믹 손실이 높기 때문에 메타표면은 짧은 가시 파장에서 낮은 효율을 갖는다.
가시광선에서 손실이 적은 유전체 재료(예: TiO29,GaN 10 및 a-Si:H11)에대한 나노 제조 기술의 개발은 광학 메타표면을 가진 고효율 평면 광학 장치의 실현을 가능하게 했습니다.10 이러한 장치에는 광학 및 엔지니어링 분야의 응용 프로그램이 있습니다. 한 가지 흥미로운 응용 프로그램은 프로젝션 볼륨 디스플레이 및 정보 암호화를 위한 광학 홀로그래피입니다. 공간 광 변조기를 사용하는 기존의 홀로그램과 비교하여 메타홀로그램은 광학 설정의 소형화, 홀로그램 이미지의 높은 해상도 및 더 큰 시야와 같은 수많은 장점을 가지고 있습니다.
최근에는 단일 계층 메타홀로그램 장치에서 다중 홀로그램 정보를 인코딩하여 달성되고 있다. 예로는 스핀 12,13,궤도 각진 운동량14,입사 광각15및,방향(16)에서멀티플렉션되는 메타홀로그램이 있다.12 이러한 노력은 단일 장치에서 설계 자유가 부족한 메타홀로그램의 중요한 단점을 극복했습니다. 대부분의 기존 메타홀로그램은 단일 인코딩 된 홀로그램 이미지만 생성 할 수 있지만 멀티 플렉스 장치는 실시간으로 여러 홀로그램 이미지를 인코딩 할 수 있습니다. 따라서, 멀티플렉스 메타 홀로그램은 실제 홀로그램 비디오 디스플레이 또는 다기능 위조 홀로그램을 향한 중요한 솔루션 플랫폼입니다.
여기에 보고된 프로토콜은 스핀 및 방향 멀티플렉시드 올-유전체 가시 형 대사로그램을 제조한 다음광학적으로 13,,16을특성화하는 프로토콜이다. 단일 메타표면 장치에서 여러 시각적 정보를 인코딩하기 위해 메타홀로그램은 인시던트 라이트의 스핀 또는 방향이 변경될 때 두 개의 서로 다른 홀로그램 이미지를 표시하도록 설계되었습니다. CMOS 기술과 비교할 수 있는 방식으로 고효율 홀로그램 이미지를 제작하기 위해 a-Si:H는 메타표면및 이중 자기 공명 및 그 안에 유도된 대금자기 공명에 사용된다. 제조 프로토콜은 필름 증착, 전자 빔 쓰기 및 에칭으로 구성됩니다. 제조된 장치는 레이저, 선형 편광기, 쿼터 파판, 렌즈 및 충전 결합 장치(CCD)로 구성된 맞춤형 광학 설정을 사용하여 특징입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
A-Si:H 메타표면은 PECVD, 정밀EBL 및 건식 에칭을 사용하여 a-Si:H 박막 증착의 세 가지 주요 단계로 제작되었습니다. 이러한 단계 중 EBL 쓰기 프로세스가 가장 중요합니다. 첫째, 메타표면의 패턴 밀도는 매우 높기 때문에 공정은 전자 용량(energy) 및 단위 면적당 점 수와 같은 스캐닝 파라미터를 정밀하게 제어해야 합니다. 개발 조건도 신중하게 선택해야 합니다. 패턴의 밀도는 매우 높기 때문에 개발 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 국립연구재단(NRF)의 보조금(NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290)이 후원했다. I.K.는 한국 정부 교육부의 지원을 받는 NRF 글로벌 박사 펠로우십(NRF-2016H1A2A1906519)을 인정한다.
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 |
References
- 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).
- Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
- Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light. Nanophotonics. 7 (11), 1827-1833 (2018).
- Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070 (2019).
- Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
- Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
- Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63 (2018).
- Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
- 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).
- Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
- Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
- Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Physical Review Letters. 118 (11), 113901 (2017).
- Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065 (2019).
- Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
- Kamali, S. M., et al. Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles. Physical Review X. 7 (4), 041056 (2017).
- Ansari, M. A., et al. Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons. 5 (1), 57-64 (2020).
- Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066 (2019).
- Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876 (2018).
- Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
- Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).
