Summary

Демонстрация спин-multiplexed и направление-Multiplexed Все-Диэлектрические видимые метахолограммы

Published: September 25, 2020
doi:

Summary

Представляем протокол по изготовлению спин- и направленно-мультиплексных видимых метахолограмм, а затем проводим оптический эксперимент для проверки их функции. Эти метахолограммы могут легко визуализировать закодированную информацию, поэтому они могут быть использованы для проектного объемного отображения и шифрования информации.

Abstract

Техника оптической голографии, реализованная с помощью метаповерхностных элементов, стала новым подходом к проектно-проектной томтрической отображению и отображению шифрования информации в виде ультратонких и почти плоских оптических устройств. По сравнению с обычной голографической техникой с модуляторами пространственного света, метахолограмма имеет множество преимуществ, таких как миниатюризация оптической установки, более высокое разрешение изображения и большее поле видимости для голографических изображений. Здесь сообщается о протоколе по изготовлению и оптической характеристике оптических метахолограмм, чувствительных к спину и направлению света инцидента. Метаповерхности состоят из гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), который имеет большой рефракционный индекс и небольшой коэффициент вымирания во всем видимом диапазоне, что приводит к высокой эффективности передачи и дифракции. Устройство производит различные голографические изображения при переключеи спина или направления света инцидента. Таким образом, они могут кодировать несколько типов визуальной информации одновременно. Протокол изготовления состоит из осаждения пленки, письма электронного луча и последующего травления. Изготовленное устройство можно охарактеризовать с помощью индивидуальной оптической установки, которая состоит из лазера, линейного поляризатора, четверть волновой панели, объектива и устройства с зарядом (CCD).

Introduction

Оптические метаповерхностные элементы, состоящие из субволновых наноструктур, позволили создать множество интересныхоптических явлений, включая оптическое маскировку 1,отрицательное преломление 2,идеальное поглощение света 3,цветную фильтрацию 4,голографическую проекцию изображения 5и манипуляциюлучом 6,,7,,8. Оптические метаповерхностные элементы, которые имеют надлежащим образом разработанные рассеяния, могут модулировать спектр, волновой фронт и поляризацию света. Ранние оптические метаповерхности были в основном изготовлены с использованием благородных металлов (например, Au, Ag) из-за их высокой отражаемости и простоты нанофабрикации, но они имеют высокие потери Ohmic, поэтому метаповерхности имеют низкую эффективность при коротких видимых длинах волн.

Разработка методов нанофабрикации диэлектрических материалов с низкими потерями видимого света (например, TiO29,GaN10и a-Si:H11) позволила реализовать высокоэффективные плоские оптические устройства с оптическими метаповерхами. Эти устройства имеют применение в оптике и инженерии. Одним из интригующих приложений является оптическая голография для проектного объемного отображения и шифрования информации. По сравнению с обычными голограммами, которые используют пространственные световые модуляторы, метахолограмма имеет множество преимуществ, таких как миниатюризация оптической установки, более высокое разрешение голографических изображений и большее поле видимости.

Недавно было достигнуто кодирование нескольких голографических данных в однослойном метахолограммном устройстве. Примеры включают метахолограммы, которые мультиплексированыв спину 12,13, орбитальный угловой импульс14,угол света инцидента 15, и направление16. Эти усилия преодолели критический недостаток метахолограмм, который является отсутствие свободы дизайна в одном устройстве. Большинство обычных метахолограмм может производить только отдельные закодированные голографические изображения, но мультиплексное устройство может кодировать несколько голографических изображений в режиме реального времени. Таким образом, мультиплексированная метахолограмма является важнейшим решением платформы для реального голографического видео-дисплея или многофункциональных антисчетных голограмм.

Сообщается здесь протоколы для изготовления спина и направления мультиплексных все-диэлектрические видимые метахолограммы, а затем оптически охарактеризоватьих 13,16. Для кодирования нескольких визуальных данных в одном метаповерхностном устройстве разработаны метахолограммы, которые показывают два разных голографических изображения при изменениях спина или направления света инцидента. Для изготовления высокоэффективных голографических изображений в манере, сопоставимой с технологией CMOS, A-Si:H используется для метаповерхности и двойного магнитного резонанса и антиферромагнитных резонансов, индуцированных внутри них используются. Протокол изготовления состоит из осаждения пленки, электронного пучка и травления. Изготовленное устройство характеризуется индивидуальной оптической установкой, состоящей из лазера, линейного поляризатора, четверти волновой пластины, объектива и устройства с зарядом (CCD).

Protocol

1. Изготовление устройств ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 1 показывает процесс изготовления a-Si:H метаповерхностных17. Подготовка сплавленного кремнезема пластины кусок (размер 2 см х 2 см, толщина 500 мкм) в качестве субстрата. Промыть субстрат с ацетон?…

Representative Results

Метаповерхносты a-Si:H обеспечивают высокую эффективность перекрестной поляризации и могут быть изготовлены методом(рисунок 1), который совместим с CMOS; эта черта может позволить масштабируемое изготовление и в ближайшем будущем коммерциализации. Изображение SEM показыва?…

Discussion

Метаповерхиния a-Si:H были изготовлены в трех основных шагах: осаждение тонкой пленки a-Si:H с использованием PECVD, точный EBL и сухое офорт. Среди этих шагов наиболее важным является процесс написания EBL. Во-первых, плотность узора на метаповерхациях довольно высока, поэтому процесс требует то?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была финансово поддержана грантами Национального исследовательского фонда (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290), финансируемых Министерством науки и ИКТ правительства Кореи. I.K. признает стипендию NRF Global Ph.D. (NRF-2016H1A2A1906519), финансируемую Министерством образования корейского правительства.

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

  1. 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).
  2. Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
  3. 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).
  4. Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070 (2019).
  5. Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
  6. Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
  7. Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63 (2018).
  8. Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
  9. 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).
  10. Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
  11. Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
  12. 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).
  13. Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065 (2019).
  14. Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066 (2019).
  18. Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876 (2018).
  19. Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
  20. Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).

Play Video

Cite This Article
Kim, I., Lee, D., Rho, J. Demonstration of Spin-Multiplexed and Direction-Multiplexed All-Dielectric Visible Metaholograms. J. Vis. Exp. (163), e61334, doi:10.3791/61334 (2020).

View Video