Spin-Multiplexed ve Yön-Multiplexed All-Dielectric Görünür Metahologramların Gösterimi

Özet

Spin ve yön çok katlı görünür metahologramların imalatı için bir protokol sayılsın, sonra da işlevlerini doğrulamak için optik bir deney gerçekleştiriyoruz. Bu metahologramlar kodlanmış bilgileri kolayca görselleştirebilir, böylece projektif hacimsel ekran ve bilgi şifreleme için kullanılabilirler.

Özet

Metayüzeyler tarafından gerçekleştirilen optik holografi tekniği, ultra ince ve neredeyse düz optik cihazlar şeklinde projektif hacimsel ekran ve bilgi şifreleme ekranına yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Uzamsal ışık modülatörleri ile geleneksel holografik tekniği ile karşılaştırıldığında, metahologram optik kurulum minyatürleştirme, daha yüksek görüntü çözünürlüğü ve holografik görüntüler için görünürlük daha büyük alan gibi sayısız avantajları vardır. Burada, olay ışığının dönüşüne ve yönüne duyarlı optik metahologramların üretimi ve optik karakterizasyonu için bir protokol bildirilir. Metayüzeyler hidrojene amorf silikon (a-Si:H), büyük kırılma indeksi ve tüm görünür aralıkta küçük yok olma katsayısı yüksek iletim ve kırınım verimliliği ile sonuçlanan oluşur. Cihaz, olay ışığının dönüşü veya yönü değiştirildiğinde farklı holografik görüntüler üretir. Bu nedenle, aynı anda birden çok görsel bilgi türünü kodlayabilirler. Üretim protokolü film birikimi, elektron ışını yazma ve sonraki gravür oluşur. Fabrikasyon cihaz bir lazer, doğrusal polarize, çeyrek dalga plakası, bir lens ve şarj-coupled cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilebilir.

Giriş

Alt dalga boyu nanoyapılardan oluşan optik metayüzeyler optik gizleme 1 dahil olmak üzere birçok ilginç optik fenomenler, sağlamıştır¹, negatif kırılma², mükemmel ışık emme³, renk filtreleme⁴, holografik görüntü projeksiyon⁵, ve ışın^{manipülasyonu 6,7,8}. Uygun şekilde tasarlanmış saçılımörlere sahip optik metayüzeyler, ışığın spektrumunu, dalga cephesini ve polarizasyonunu modüle edebilir. Erken optik metayüzeyler esas olarak asil metaller (örneğin, Au, Ag) yüksek yansıtıcılık ve nanofabrikasyon kolaylığı nedeniyle imal edildi, ancak yüksek Ohmik kayıplarvar, bu yüzden metayüzeyler kısa görünür dalga boylarında düşük verimliliğe sahip.

Görünür ışıkta (örneğin, TiO₂⁹, GaN¹⁰ve a-Si:H¹¹⁾düşük kayıplara sahip dielektrik malzemeler için nanofabrikasyon tekniklerinin geliştirilmesi, optik metayüzeylere sahip yüksek verimli düz optik cihazların gerçekleştirilmesini sağlamıştır. Bu cihazların optik ve mühendislik uygulamaları vardır. Bir ilginç uygulama projektif volumetric ekran ve bilgi şifreleme için optik holografi olduğunu. Uzamsal ışık modülatörleri kullanan geleneksel hologramlar ile karşılaştırıldığında, metahologramoptik kurulumun minyatürleştirilmesi, holografik görüntülerin daha yüksek çözünürlüğü ve daha geniş görüş alanı gibi birçok avantaja sahiptir.

Son zamanlarda, tek katmanlı metahologram cihazda birden fazla holografik bilginin kodlanması sağlanmıştır. Örnekler spin^12,,13,orbital açısal momentum^14,olay ışık açısı¹⁵, ve yön¹⁶multipleksed metahologramlar içerir. Bu çabalar, tek bir cihazda tasarım özgürlüğü eksikliği olan metahologramların kritik eksikliğinin üstesinden gelmiştir. Çoğu geleneksel metahologram sadece tek kodlanmış holografik görüntü üretebilir, ancak çok katlı aygıt birden fazla holografik görüntüyü gerçek zamanlı olarak kodlayabilir. Bu nedenle, çok katlı metahologram gerçek holografik video ekran veya çok fonksiyonlu antikalperhologramlar doğru önemli bir çözüm platformudur.

Burada bildirilen spin imal protokolleri- ve yön-multiplexed all-dielektrik görünür metahologramlar, sonra optik onları karakterize etmek^{için 13,16}. Tek bir metayüzey cihazında birden fazla görsel bilgiyi kodlamak için, olay ışığının dönüşü veya yönü değiştiğinde iki farklı holografik görüntü gösteren metahologramlar tasarlanmıştır. CMOS teknolojisi ile karşılaştırılabilir bir şekilde yüksek verimli holografik görüntüler imal etmek için, a-Si:H metayüzeyler için kullanılır ve çift manyetik rezonanslar ve içlerinde indüklenen antiferromanyetik rezonanslar yararlanılır. Üretim protokolü film birikimi, elektron ışını yazma ve gravür oluşur. Fabrikasyon cihaz bir lazer, doğrusal polarize, çeyrek dalga plakası, bir lens ve şarj-coupled cihaz (CCD) oluşan özelleştirilmiş bir optik kurulum kullanılarak karakterize edilir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokol

1. Cihaz imalatı

NOT: Şekil 1 a-Si:H metasurfaces¹⁷üretim sürecini gösterir.

1. Erimiş bir silika gofret parçası (boyut = 2 cm x 2 cm, kalınlık = 500 μm) bir substrat olarak hazırlayın. Aseton ve İzopropil alkol (IPA) ile substrat durulayın sonra kurutmak için substrat üzerinde azot gazı darbe.
2. Plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar birikimi (PECVD) kullanarak substrat üzerine 380 nm kalınlığında a-Si:H film yatırın: oda sıcaklığı = 300 °C; radyo frekans gücü = 800 W; gaz akış hızı = SiH₄ için 10 sccm ve H₂için 75 sccm; proses basıncı = 25 mTorr; zaman = 30 s.
3. Spin-coat bir e-ışın litografi fotodirenç. 1 dakika boyunca 2.000 rpm dönme hızı ile substrat ve spin-coat üzerine polimetil metakrilat (PMMA) A2 bırakın.
4. 180 °C'de bir ocak ta 5 dakika boyunca direndirek kaplı substratpişirin.
5. Spin-coat e-Kiriş yazma işlemi sırasında şarj birikimini önlemek için iletken bir polimer tabaka. Iletken polimeri (örn. Espacer) 1 dakika boyunca 2.000 rpm dönüş hızıyla substrat ve spin-coat üzerine bırakın.
6. E-ışın litografisini 80 kV hızlanma gerilimi ve 50 pA'lık bir akımla çalıştırın.
7. İletken polimer tabakasını çıkarmak için numuneyi 2 dk deiyonize (DI) suya batırın. 1:3 metil izobütil keton (MIBK): IPA çözeltisi 12 dakika için buzlu bir fincan ile çevrili maruz desen geliştirmek için örnek batırın. Daha sonra numuneyi IPA ile 30 s'lik durulayın.
8. Bir e-ışın evaporatör kullanarak 30 nm kalınlığında krom (Cr) film yatırın.
9. Pozlanmamış fotodirenç tabakasını çıkarmak için numuneyi aseton'a batırın ve Cr deseni substratüzerine aktarın. Sonicate için 1 dakika 40 kHz, sonra 30 s için IPA ile durulayın.
10. 500 W kaynak gücüne sahip kuru bir etcher, 100 V, Cl₂ için 80 sccm gaz akış hızları ve HBr için 120 sccm gaz akış hızları kullanarak a-Si:H tabakasına Cr deseni aktarmak için ortaya çıkarılan a-Si:H katmanını etch.
11. Cr etch maskesini çıkarmak için örneği cr etchant çözümüne batırın. Daha sonra numuneyi sırasıyla 30 s için aseton, IPA ve DI suyuyla sırayla durulayın.

2. Taramalı elektron mikroskobu karakterizasyonu

1. Spin-coat elektron ışını tarama işlemi sırasında yük birikimini önlemek için iletken bir polimer tabaka. 1 dakika boyunca 2.000 rpm dönüş hızında substrat ve spin-coat üzerine iletken polimer bırakın.
2. Karbon bandı kullanarak substratı numune tutucuya sabitleyin. AIR düğmesine basarak yük kilidi odasını boşaltın.
3. Tutucuyu yük kilidi odasının tutucu çubuğuna koyun. EVAC düğmesine basarak yük kilidi odasını boşaltın.
4. Z sensörünü 8 mm'ye, T sensörünü ise 0°'ye ayarlayarak sahne yüksekliğini ve eğim açısını ayarlayın.
5. OPEN düğmesine basarak yük kilidi odası kapısını açın. Tutucuyu ana taramaelektron mikroskobu (SEM) odasına aktarmak için tutucuya basın. Çubuğu çıkar ve KAPAT düğmesine basın.
6. Elektron tabancasını açmadan önce vakum durumunu kontrol edin. Bir an yüksek voltaj ile elektron tabancasındaki karbon veya tozu çıkarmak için YANıP sönen düğmeye basarak yanıp sönen işlevi çalıştırın.
7. SEM yazılımındaki AÇIK düğmesine tıklayarak 5 kV'luk hızlanan voltajla elektron tabancasını açın.
8. Yazılımdaki BEAM HIZALAMA paneline tıklayarak, elektron ışınının orta konumda tam olarak bulunması için ışın hizasını ayarlayın. Bir sahne denetleyicisi kullanarak, merkezinde kiriş bulun.
9. Yazılımdaki Diyafram HIZALAMA paneline tıklayarak dairesel bir elektron ışını yapmak için diyafram hizasını ve damgalama hizasını ayarlayın. Bir stigma denetleyicisi kullanarak, aynı noktada taradık için kararlı bir ışın yapın.
10. Uygun bir odak lama ve damgalayıcı ayarı ile SEM görüntülerini yakalayın.
11. Yazılımdaki KAPALI düğmesini tıklatarak elektron ışınını kapatın. Sahneyi özgün konumuna döndürmek için HOME düğmesini tıklatın.
12. Ana haznenin kapısını açın ve örnek tutucuyu almak için çubuğu itin. AIR düğmesine basarak yük kilidi odasını boşaltın, ardından tutucuyu boşaltın.
13. İletken polimer tabakasını çıkarmak için numuneyi DI suyuyla durulayın.

3. Spin-multiplexed metahologramOptik karakterizasyonu

1. Malzeme Tablosu'ndalistelenen optik bileşenleri hazırlayın.
2. Diyot lazer modüllerini 1 inç optik montaja takılabilen bir adaptöre takın. Bir post ve post tutucu kullanarak diyot lazerin yüksekliğini ayarlayın ve bir kelepçe kullanarak konumu düzeltin.
   NOT: Her optik bileşen bir post ve post tutucu kullanılarak monte edilmeli, ardından bir kelepçe kullanılarak pozisyonda sabitlenmelidir.
3. 1 inç dönme montaj kullanarak yarım dalga plakası monte, sonra doğrusal polarize ışık döndürmek için lazer modülü önünde plaka yerleştirin.
4. İlk ışın yönünü hizalamak için 1 inç kinematik bağlar ve bir hizalama diski üzerine monte ederek iki ayna hazırlayın.
   1. Hizalama diskini lazerin önüne yerleştirin ve yüksekliği ayarlayın. İki aynayı, kirişin her biri 90° de iki kez bükülerek alternatif yönlere yerleştirin.
   2. Hizalama diskini ikinci aynanın yakınına yerleştirin ve merkezideki ışığı hizalamak için düğümleri döndürerek ilk aynanın açısını ayarlayın.
   3. Hizalama diskini ikinci aynadan uzağa yerleştirin ve ışığı merkezde hizalamak için düğümleri döndürerek ikinci aynanın açısını ayarlayın.
   4. Işık her iki yerde de bir hizalama diskinin merkezinden geçene kadar 3.4.2 ve 3.4.3 adımlarını yineleyin.
5. Işığın yoğunluğunu kontrol etmek için aynanın arkasına nötr yoğunluk filtresi yerleştirin. Olay ışığının çapını kontrol etmek için nötr yoğunluk filtresinin arkasına bir iris yerleştirin.
6. Dairesel polarize ışık yapmak için, iris arkasında sırayla doğrusal polarize ve çeyrek dalga plakası yerleştirin. Her bileşeni kendi rotasyonel yuvasına monte edin.
7. Fabrikasyon metayüzeyi bir deliğe takın ve dikdörtgen optik ler için plakayı XY çeviri yuvasına monte edin. XY çeviri yuvasını, ışığın örnekteki desene yönlendirilen şekilde ayarlayın.
8. Metasurface sonra bir lens yerleştirin. Odak uzaklığı nda yeralacak lensin konumunu ayarlayın. Hologram görüntüsü yakalamak için lensten sonra bir CCD yerleştirin.

4. Yön çokkatlı metahologramın optik karakterizasyonu

1. İki Kiriş ayırıcı, iki ayna, lens ve CCD hazırlayın.
   NOT: Bu kurulum, spin-multiplexed metahologram kurulumuek bileşenler ekleyerek oluşturulabilir.
2. Demeti iki yöne bölmek için çeyrek dalga plakası ve XY çeviri yuvası arasına bir ışın ayırıcı yerleştirin. XY çeviri yuvası ile lens arasına başka bir ışın ayırıcı yerleştirin.
   NOT: Bir ışın yolu önceki spin-multiplexed metahologram kurulumu ile aynıdır. Burada, bir örneği önceki kuruluma ters yönde aydınlatmak için başka bir bölünmüş ışın hizalanır.
3. İki aynayerleştirin, böylece ışın her biri 90° de iki kez bükülür ve alternatif yönler oluşturacak şekilde ışını ikinci ışın ayırıcısına yönlendirilecek şekilde ayarlayın. Işığı ince bir şekilde hizala, böylece ışın numuneyi ters yönde doğru bir şekilde ışınlatın.
4. İlk ışın ayırıcısının sağına 90° başka bir lens yerleştirin ve karşı yönden bir hologram görüntüsü yakalamak için bir CCD yerleştirin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Sonuçlar

a-Si:H metayüzeyleri yüksek çapraz polarizasyon verimliliği sağlar ve CMOS ile uyumlu bir yöntem(Şekil 1)kullanılarak imal edilebilir; bu özellik ölçeklenebilir üretim ve yakın gelecekte ticarileştirilmesi ni sağlayabilir. SEM görüntüsü, fabrikasyon a-Si:H metasurfacelerini gösterir (Şekil 2). Ayrıca, a-Si:H TiO₂ ve GaN daha büyük bir kırılma indisi vardır, bu nedenle yaklaşık 4.7 düşük boy oranı nanoyapı ile bile, y?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

a-Si:H metayüzeyleri üç ana adımda üretildi: a-Si:H ince film birikimi PECVD, hassas EBL ve kuru gravür kullanılarak. Bu adımlar arasında en önemli leri EBL yazma sürecidir. İlk olarak, metayüzeylerde desen yoğunluğu oldukça yüksektir, bu nedenle işlem elektron dozu (enerji) ve birim alan başına nokta sayısı gibi tarama parametreleri üzerinde hassas kontrol gerektirir. Geliştirme koşulu da dikkatle seçilmelidir. Örüntünün yoğunluğu çok yüksektir, bu nedenle geliştirme işlemi anında ya...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
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