JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نقدم بروتوكولا لتصنيع المياكولوجرامات المرئية الدورانية والمضاعفة الاتجاهية ، ثم نجري تجربة بصرية للتحقق من وظيفتها. هذه metaholograms يمكن تصور بسهولة المعلومات المشفرة ، بحيث يمكن استخدامها للعرض الحجمي المتوقعة وتشفير المعلومات.

Abstract

وقد ظهرت تقنية التصوير الهولوغرافي البصري التي تحققت من قبل الواجهة الفوقية كمقاربة جديدة للعرض الحجمي المتوقع وعرض تشفير المعلومات في شكل أجهزة بصرية فائقة الوضوح ومسطحة تقريبا. بالمقارنة مع تقنية ثلاثية الأبعاد التقليدية مع التضمينات الضوء المكاني، وميتاهولوغرام لديها العديد من المزايا مثل تصغير الإعداد البصري، وارتفاع دقة الصورة وأكبر مجال الرؤية للصور الثلاثية الأبعاد. هنا، يتم الإبلاغ عن بروتوكول لتصنيع وتوصيف البصرية من metaholograms البصرية التي هي حساسة لتدور واتجاه ضوء الحادث. تتكون الأسطح الفوقية من السيليكون المهدرجة غير المتبلورة (a-Si:H)، الذي يحتوي على مؤشر انكسار كبير ومعامل انقراض صغير في النطاق المرئي بأكمله مما يؤدي إلى ارتفاع معدل الواصلة وكفاءة الحيود. ينتج الجهاز صورًا ثلاثية الأبعاد مختلفة عند تبديل دوران أو اتجاه ضوء الحادث. لذلك، يمكن ترميز أنواع متعددة من المعلومات المرئية في وقت واحد. بروتوكول تلفيق يتكون من ترسب الفيلم، الكتابة شعاع الإلكترون والنقش اللاحقة. يمكن أن يتميز الجهاز المفبرك باستخدام إعداد بصري مخصص يتكون من ليزر ومستقطب خطي وصفح موجة ربعي وعدسة وجهاز مرتبط بالتهم (CCD).

Introduction

وقد مكنت metasurfaces البصرية تتألف من الهياكل النانوية طول الموجة العديد من الظواهر البصرية مثيرة للاهتمام، بما في ذلك الحجب البصري1،والانكسار السلبي2، الكمال امتصاص الضوء3، تصفية اللون4، إسقاط صورة ثلاثية الأبعاد5، وشعاع التلاعب6،7،8. يمكن أن تعدل الأسطح الفوقية البصرية التي تحتوي على تشتتات مصممة بشكل مناسب الطيف والواجهة الموجية والاستقطاب للضوء. كانت متشعبات البصرية في وقت مبكر ملفقة أساسا باستخدام المعادن النبيلة (مثل، أو، Ag) نظرا لتعكسها العالية وسهولة nanofabrication، ولكن لديهم خسائر عالية أومويك، وبالتالي فإن الأسطح تكون ذات كفاءة منخفضة في موجات مرئية قصيرة.

تطوير تقنيات nanofabrication للمواد العازلة التي لها خسائر منخفضة في الضوء المرئي (على سبيل المثال، TiO29،10، وA-Si:H11) قد مكنت تحقيق أجهزة بصرية مسطحة عالية الكفاءة مع metasurfaces البصرية. هذه الأجهزة لديها تطبيقات في مجال البصريات والهندسة. أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام هو التصوير الهلوغرافي البصري للعرض الحجمي الضوئي وتشفير المعلومات. بالمقارنة مع الصور الثلاثية الأبعاد التقليدية التي تستخدم التضمينات الضوء المكاني، وميتاهولوغرام لديها العديد من المزايا مثل تصغير الإعداد البصري، وارتفاع دقة الصور الثلاثية الأبعاد وأكبر مجال الرؤية.

وقد تم مؤخرا ترميز معلومات متعددة ثلاثية الأبعاد في جهاز metahologram واحد الطبقات. وتشمل الأمثلة على metaholograms التي هي متعددة في تدور12،13، الزخم الزاوي المداري14، زاوية ضوء الحادث15، واتجاه16. وقد تغلبت هذه الجهود على القصور الحرج في metaholograms، وهو عدم وجود حرية التصميم في جهاز واحد. معظم metaholograms التقليدية يمكن أن تنتج فقط الصور ثلاثية الأبعاد المشفرة واحد، ولكن يمكن للجهاز متعددة ترميز الصور ثلاثية الأبعاد متعددة في الوقت الحقيقي. وبالتالي ، فإن metahologram متعددة هي منصة حل حاسم نحو عرض الفيديو ثلاثي الأبعاد الحقيقي أو الصور ثلاثية الأبعاد المضادة للعد متعددة الوظائف.

ذكرت هنا هي بروتوكولات لاختلاق تدور - واتجاه متعدد - جميع عازلة مرئية metaholograms ، ثم إلى وصف بصريالهم 13،16. لترميز معلومات مرئية متعددة في جهاز واحد مُعدي، تم تصميم الميكاولوجرامات التي تُظهر صورتين ثلاثية الأبعاد مختلفتين عند تغيير دوران أو اتجاه ضوء الحادث. لتصنيع الصور الثلاثية الأبعاد عالية الكفاءة بطريقة مماثلة مع تكنولوجيا CMOS، يتم استغلالها A-Si: H لـ الذبذبات والرنين المغناطيسي المزدوج والرنينات الدوسيمية الناجمة داخلها. بروتوكول تلفيق يتكون من ترسب الفيلم، الكتابة شعاع الإلكترون، والنقش. يتميز الجهاز المفبرك باستخدام إعداد بصري مخصص يتكون من ليزر ومستقطب خطي وصفح موجة ربعي وعدسة وجهاز مرتبط بالتهم (CCD).

Protocol

1. تصنيع الأجهزة

ملاحظة: يوضح الشكل 1 عملية تصنيع A-Si: H metasurfaces17.

  1. إعداد رقاقة السيليكا تنصهر قطعة (حجم = 2 سم × 2 سم، سمك = 500 μm) كركيزة. شطف الركيزة مع الأسيتون والكحول ايزوبروبيل (IPA) ثم ضربة غاز النيتروجين على الركيزة لتجفيفه.
  2. إيداع 380 نانومتر سميكة a-Si: H فيلم على الركيزة باستخدام البلازما المعززة ترسب بخار كيميائي (PECVD) مع الإعدادات التالية: درجة حرارة الغرفة = 300 درجة مئوية; قوة التردد الراديوي = 800 واط؛ معدل تدفق الغاز = 10 sccm لSH4 و 75 sccm لH2؛ ضغط العملية = 25 mTorr؛ الوقت = 30 s.
  3. تدور معطف التصوير التصوير الطباعة الحجرية e-شعاع. إسقاط البولي ميثيل methacrylate (PMMA) A2 على الركيزة ونقصان معطف مع سرعة دوران 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
  4. خبز الركيزة المقاومة المغلفة على الساخنة في 180 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
  5. تدور معطف طبقة البوليمر موصل لمنع تراكم تهمة خلال عملية الكتابة شعاع الإلكترونية. إسقاط البوليمر موصل (على سبيل المثال، إسبر) على الركيزة ونقصان معطف مع سرعة دوران 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
  6. تشغيل الطباعة الحجرية شعاع e مع الجهد تسارع 80 كيلو فولت والتيار من 50 pA.
  7. غمر العينة في المياه deionized (DI) لمدة 2 دقيقة لإزالة طبقة البوليمر موصل. غمر العينة في 1:3 ميثيل ايبوتيل كيتون (MIBK): حل IPA محاطة كوب مثلج لمدة 12 دقيقة لتطوير نمط يتعرض. ثم شطف العينة مع IPA لمدة 30 s.
  8. إيداع 30 نانومتر الكروم سميكة (Cr) الفيلم باستخدام المبخر شعاع الإلكترونية.
  9. غمر العينة في الأسيتون لإزالة طبقة الفوترسريد غير المُفَرَّغة ونقل نمط Cr إلى الركيزة. Sonicate لمدة 1 دقيقة في 40 كيلوهرتز، ثم شطف مع IPA لمدة 30 s.
  10. حفر كشف A-Si: H طبقة لنقل نمط Cr إلى A-Si: H طبقة باستخدام الخرّف الجافة مع قوة مصدر 500 W، تحيز 100 V، معدلات تدفق الغاز من 80 سكك مع كل2 و 120 sccm لHBR.
  11. غمر العينة في محلول زر النقش لإزالة قناع النقش Cr. ثم شطف العينة بالتتابع مع الأسيتون، IPA وDI الماء لمدة 30 ث، على التوالي.

2. مسح المجهر الإلكتروني التوصيف

  1. تدور معطف طبقة البوليمر موصل لمنع تراكم تهمة أثناء عملية مسح شعاع الإلكترون. إسقاط البوليمر موصل على الركيزة ونقصان معطف في سرعة دوران 2000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
  2. إصلاح الركيزة على حامل العينة باستخدام شريط الكربون. تنفيس غرفة قفل الحمل عن طريق الضغط على زر AIR.
  3. وضع حامل على قضيب عقد من غرفة تحميل قفل. قم بإخلاء غرفة قفل التحميل عن طريق الضغط على زر EVAC.
  4. قم بتعيين ارتفاع المرحلة وزاوية الإمالة عن طريق ضبط مستشعر Z على 8 مم و مستشعر T إلى 0 درجة.
  5. افتح باب غرفة قفل التحميل بالضغط على الزر OPEN. اضغط على قضيب القابضة لنقل الحامل إلى غرفة المجهر الإلكتروني المسح الرئيسي (SEM). اسحب قضيب واضغط على زر إغلاق.
  6. تحقق من حالة الفراغ قبل تشغيل بندقية الإلكترون. تنفيذ وظيفة وامض عن طريق الضغط على زر وامض لإزالة الكربون أو الغبار في بندقية الإلكترون مع الجهد العالي الفورية.
  7. بدوره على بندقية الإلكترون مع الجهد المتسارع من 5 كيلو فولت عن طريق النقر على زر ON في برنامج SEM.
  8. ضبط محاذاة شعاع لتحديد بدقة شعاع الإلكترون في مركز المركز عن طريق النقر على لوحة محاذاة BEAM في البرنامج. باستخدام وحدة تحكم المرحلة، حدد موقع الشعاع في المركز.
  9. ضبط محاذاة الفتحة والمحاذاة وصمة العار لجعل شعاع الإلكترون دائرية من خلال النقر على لوحة محاذاة APERTURE في البرنامج. باستخدام وحدة تحكم وصمة العار، وجعل شعاع مستقرة لمسح على نفس المكان.
  10. التقاط صور SEM مع التركيز المناسب والتكيف بوصم.
  11. إيقاف تشغيل شعاع الإلكترون بالنقر فوق الزر إيقاف في البرنامج. انقر فوق الزر "الصفحة الرئيسية" لإرجاع المرحلة إلى موضعها الأصلي.
  12. فتح باب الغرفة الرئيسية ودفع قضيب لالتقاط حامل العينة. تنفيس غرفة قفل الحمل عن طريق الضغط على زر AIR، ثم تفريغ حامل.
  13. شطف العينة مع DI المياه لإزالة طبقة البوليمر موصل.

3. التوصيف البصري للمياهولوغرام الدوراني المتعدد

  1. إعداد المكونات البصرية المدرجة في جدول المواد.
  2. قم بتوصيل وحدة ليزر الصمام الثنائي بمحول يمكن توصيله في جبل بصري 1 بوصة. ضبط ارتفاع ليزر الصمام الثنائي باستخدام آخر وحامل آخر، وإصلاح الموقف باستخدام المشبك.
    ملاحظة: يجب أن يتم تركيب كل مكون بصري باستخدام وظيفة وحامل وظيفة، ثم ثابتة في موقف باستخدام المشبك.
  3. تجميع لوحة نصف موجة باستخدام جبل دوران 1 بوصة، ثم ضع لوحة أمام وحدة الليزر لتدوير الضوء المستقطب خطيا.
  4. إعداد اثنين من المرايا عن طريق تركيبها على 1 بوصة يتصاعد الكينمية واحد قرص محاذاة لمحاذاة اتجاه شعاع الأولية.
    1. ضع قرص المحاذاة أمام الليزر واضبط الارتفاع. ضع المرايا بحيث ينحني الشعاع مرتين عند درجة 90 درجة لكل منهما ليكون الاتجاهين بالتناوب.
    2. ضع قرص المحاذاة بالقرب من المرآة الثانية واضبط زاوية المرآة الأولى عن طريق تدوير المقابض لمحاذاة الضوء في الوسط.
    3. ضع قرص المحاذاة بعيدًا عن المرآة الثانية واضبط زاوية المرآة الثانية عن طريق تدوير المقابض لمحاذاة الضوء في الوسط.
    4. كرر الخطوات 3.4.2 و 3.4.3 حتى يمر الضوء عبر مركز قرص محاذاة في كلا المكانين.
  5. ضع فلتر الكثافة المحايد خلف المرآة للتحكم في شدة الضوء. ضع قزحية خلف فلتر الكثافة المحايد للتحكم في قطر ضوء الحادث.
  6. لجعل ضوء الاستقطاب دائريا، وضع المستقطب الخطي ولوحة موجة ربع في النظام وراء القزحية. جبل كل مكون على جبل التناوب الخاصة به.
  7. نعلق على مسطح مُلفق إلى لوحة مع ثقب وجبل لوحة على جبل الترجمة XY للبصريات مستطيلة. ضبط جبل ترجمة س ص بحيث يتم توجيه الضوء إلى نمط في العينة.
  8. ضع عدسة بعد الواجهة الفوقية. ضبط موقف العدسة ليتم وضعها في البعد البؤري. ضع نسخة من الـCCD بعد العدسة لالتقاط صورة ثلاثية الأبعاد.

4. التوصيف البصري للمياهولوغرام اتجاه متعدد

  1. إعداد اثنين من تقسيم شعاع، والمرايا اثنين، والعدسة وCCD.
    ملاحظة: يمكن إنشاء هذا الإعداد من إعداد ميتاهولوغرام الدوران متعدد multixed عن طريق إضافة مكونات إضافية.
  2. ضع مقسم شعاع بين لوحة ربع الموجة وجبل الترجمة XY لتقسيم الحزمة إلى اتجاهين. ضع مقسم شعاع آخر بين جبل ترجمة XY والعدسة.
    ملاحظة: مسار شعاع واحد هو نفس الإعداد السابق ميتاهولومغرام الدوران متعدد. هنا، سيتم محاذاة شعاع انقسام آخر لإلقاء الضوء على عينة في الاتجاه المعاكس للإعداد السابق.
  3. ضع مرآتين بحيث ينحني الشعاع مرتين عند درجة 90 درجة لكل منهما ليشكل اتجاهات متناوبة ويضبط الشعاع ليتم توجيهه إلى المقاين الثاني للشعاع. محاذاة الضوء ناعما بحيث شعاع تشع العينة بشكل صحيح في الاتجاه المعاكس.
  4. ضع عدسة أخرى عند 90 درجة على يمين الفاصل الأول للشعاع ووضع CCD لالتقاط صورة ثلاثية الأبعاد من الاتجاه المعاكس.

النتائج

A-Si: H metasurfaces تمكين كفاءة عالية عبر الاستقطاب ويمكن أن تكون ملفقة باستخدام طريقة (الشكل 1) التي تتوافق مع CMOS; هذه السمة قد تمكين التصنيع قابلة للتطوير وتسويقها في المستقبل القريب. تظهر صورة SEM الملفقة a-Si: H metasurfaces (الشكل 2). وعلاوة على ذلك، A-Si: H لديه أكبر معامل الا...

Discussion

A-Si: تم تلفيق ه metasurfaces في ثلاث خطوات رئيسية: A-Si: H رقيقة طبقة ترسيب باستخدام PECVD، EBL دقيقة، والنقش الجاف. من بين هذه الخطوات ، عملية الكتابة EBL هو الأكثر أهمية. أولاً، كثافة النمط على الأسطح الفوقية عالية جداً، وبالتالي فإن العملية تتطلب تحكماً دقيقاً في جرعة الإلكترون (الطاقة) ومعلمات المسح ال...

Disclosures

اي.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا العمل ماليًا من خلال منح المؤسسة الوطنية للبحوث (NRF-2019R1A2C3003129، CAMM-2019M3A6B3030637، NRF-2019R1A5A8080290) بتمويل من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات في الحكومة الكورية. I.K. يعترف زمالة دكتوراه NRF العالمية (NRF-2016H1A2A2A1906519) بتمويل من وزارة التربية والتعليم في الحكومة الكورية.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
AcetonJ.T. Baker925402
Beam splitterThorlabsCCM1-BS013/M
Chromium etchantKMGCr-7
Chromium evaporation sourceKurt J. LeskerEVMCR35D
ClampThorlabsCP175
Conducting polymerShowa denkoE-spacer
Diode laserThorlabsCPS635
E-beam evaporation systemKorea Vacuum TechKVE-E4000
E-beam resistMicrochem495 PMMA A2
Electron beam lithographyElionixELS-7800
Half-wave plateThorlabsAHWP05M-600
Inductively-coupled plasma reactive ion etchingDMS-
IrisThorlabsSM1D12
Isopropyl alcoholJ.T. Baker909502
Kinematic mirror mountThorlabsKM100/M
LensThorlabsLB1630
Lens MountThorlabsLMR2/M
Linear polarizerThorlabsGTH5-A
MirrorThorlabsPF10-03-G01
Neutral density filterThorlabsNDC-50C-4
Plasma enhanced chemical vapor depositionBMR TechnologyHiDep-SC
PostThorlabsTR75/M
Post holderThorlabsPH75E/M
Quarter-wave plateThorlabsAQWP10M-580
Resist developerMicrochemMIBK:IPA=1:3
Rotational mountThorlabsRSP1/M
Scanning electron microscopyHitachiRegulus8100
XY translation mountThorlabsXYF1/M
1-inch adapterThorlabsAD11F
1-inch lens mountThorlabsCP02/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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

163

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved