Name: demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces
Uploaded: 2019-06-07T12:30:00
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这项工作由国家研究基金会赠款(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2018M3D1A1058998、NRF-2015R1A5A10376668)资助。

1. 电介质元表面的制造
<ol><li>熔融石英基板的预清洁
	<ol>
<li>准备双面抛光、熔融的二氧化硅基板(长度:2厘米;宽度:2厘米;厚度:500μm)。</li>
		<li>将熔融的二氧化硅基板浸入 50 mL 的丙酮中,并在 40 kHz 下进行 5 分钟的声波处理。</li>
		<li>将基板浸入 50 mL 的 2 丙醇 (IPA) 中,并在 40 kHz 下进行 5 分钟的声波处理。</li>
		<li>在 IPA 蒸发之前,用 IPA冲洗基板并吹氮 (N 2) 气体以干燥基板。</l...

<ol>
	<li>Khorasaninejad, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metalenses+at+visible+wavelengths:+Diffraction-limited+focusing+and+subwavelength+resolution+imaging.">Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging.</a> Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).</li><li>Chen, W. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+broadband+achromatic+metalens+for+focusing+and+imaging+in+the+visible.">A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible.</a> Nature Nanotechnology. 13 (3), 220-226 (2018).</li><li>Zheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metasurface+holograms+reaching+80%+efficiency.">Metasurface holograms reaching 80% efficiency.</a> Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).</li><li>Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Broadband+high-efficiency+dielectric+metasurfaces+for+the+visible+spectrum.">Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).</li><li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pragmatic+Metasurface+Hologram+at+Visible+Wavelength:+The+Balance+between+Diffraction+Efficiency+and+Fabrication+Compatibility.">Pragmatic Metasurface Hologram at Visible Wavelength: The Balance between Diffraction Efficiency and Fabrication Compatibility.</a> ACS Photonics. 5 (5), 1643-1647 (2018).</li><li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term="Crypto-Display"+in+Dual-Mode+Metasurfaces+by+Simultaneous+Control+of+Phase+and+Spectral+Responses.">"Crypto-Display" in Dual-Mode Metasurfaces by Simultaneous Control of Phase and Spectral Responses.</a> ACS Nano. 12 (7), 6421-6428 (2018).</li><li>Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+ultrathin+invisibility+skin+cloak+for+visible+light.">An ultrathin invisibility skin cloak for visible light.</a> Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).</li><li>Khorasaninejad, M., Crozier, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+nanofin+grating+as+a+miniature+chirality-distinguishing+beam-splitter.">Silicon nanofin grating as a miniature chirality-distinguishing beam-splitter.</a> Nature Communications. 5, 5386 (2014).</li><li>Zhang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+beam+splitters+based+on+gradient+metasurfaces.">Nanoscale beam splitters based on gradient metasurfaces.</a> Optics Letters. 43 (2), 267 (2018).</li><li>Yoon, G., Lee, D., Nam, K. T., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometric+metasurface+enabling+polarization+independent+beam+splitting.">Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting.</a> Scientific Reports. 8 (1), 9468 (2018).</li><li>Goodman, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to Fourier Optics. , (2005).</li><li>Gerchberg, R. W., Saxton, W. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+practical+algorithm+for+the+determination+of+the+phase+from+image+and+diffraction+plane+pictures.">A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures.</a> Optik. 35 (2), 237-246 (1972).</li><li>Yoon, G., Kim, I., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+in+fabrication+towards+realization+of+practical+metamaterials.">Challenges in fabrication towards realization of practical metamaterials.</a> Microelectronic Engineering. 163, 7-20 (2016).</li><li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+Silicon+Metasurfaces+for+Visible+Light.">Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light.</a> ACS Photonics. 4 (3), 544-551 (2017).</li><li>Dammann, H., G&#246;rtler, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-efficiency+in-line+multiple+imaging+by+means+of+multiple+phase+holograms.">High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms.</a> Optics Communications. 3 (5), 312-315 (1971).</li></ol>

一些制造步骤应谨慎执行,以生成与原始设计相同的元表面。在电阻开发过程中,通常首选低温溶液。标准条件为室温,但反应速度可以通过将溶液温度降至0°C来降低。尽管相应的反应时间变长,但比标准条件更精细。反应时间控制也容易,因为反应速度低。精细模式的另一个关键步骤是在抗性开发后干燥 IPA。N2气体移动并蒸发样品上 IPA 的其余部分。一定数量的 IPA 不会移动,从而创建随机分布...

由二维亚波长天线阵列组成的元表面已经显示出许多有前途的光学功能,如无色透镜1,2,全息图3,4,5 ,6和光学斗篷7。传统的笨重光学元件可以替换为超薄的元表面,同时保持原有的功能。例如,分束器是一种光学设备,用于将入射光束分离成两束光束。典型的分束器是结合两个三角形棱镜。由于它们的接口特性决定了光束分裂特性,因此很难在不降低功能的情况下减小物理尺寸。另一方面,超薄分束器可以通过一维线性相位梯度8、9编码的元表面来实现。元表面的厚度小于其工作波长,分离特性可以通过相位分布控制。
我们设计了一个元表面光束分路器,无论入射极化状态为10,都能产生同等强度的光束。这个特征来自傅立叶全息图。由于黑色背景上两个白色斑点的图像,从元表面生成的全息图与编码图像相同。傅立叶全息图没有特定的焦距,因此可以在元表面11后面的整个空间中观察到编码的图像。如果在元表面后面生成相同的双点图像,它也用作光束分割器。元表面的傅立叶全息图相对于正交极化状态创建一个倒影,称为双图像。双图像通常被视为噪声。但是,在此元表面编码的双点图像是原点对称的,导致原始图像和双图像完美重叠。由于任何极化状态都可以由右手 (RCP) 和左手 (LCP) 圆形极化的线性组合表示,因此此处描述的器件显示了独立于极化的功能。
在这里,我们提出了一个协议,用于介电元表面的制造和光学表征,实现等强度光束生成。此器件的相位分布是从Gerchberg_Saxton(GS)算法中检索的,该算法通常用于仅相位全息图12。a-Si:H 厚 300 nm,使用 PECVD 沉积在熔融石英基板上。Cr 掩模在 a-Si:H 胶片上定义,使用 EBL。掩码模式对应于从 GS 算法派生的相位分布。ICP-RIE 被利用来沿 Cr 掩膜蚀刻 a-Si:H 胶片。Cr 掩模的其余部分通过完成样品制造完成 Cr 蚀刻器移除。使用定制的光学设置来描述制造元表面的光学功能。当激光束入射到元表面时,传输的光束被分成三个部分,即两个衍射光束和一个零阶光束。衍射光束偏离入射光束路径的延伸,而零阶光束则跟随其。为了验证此器件的功能,我们分别使用功率计、CCD 和量角测量了光束功率、光束轮廓和衍射角。
所有使用的制造工艺和材料都针对目标功能进行了优化。对于可见工作频率,单个天线尺寸应为几百纳米,材料本身在可见波长时应具有低光损耗。在定义这种小结构时,只有几种制造方法适用。由于衍射极限,典型的光刻以及直接激光书写无法进行制造。可采用聚焦式水梁铣削,但存在镉污染、型板设计依赖、工艺速度慢等关键问题。实际上,EBL是促进在可见频率13下工作的元表面制造的唯一方法。
由于金属不可避免的欧米损失,电介质通常更受欢迎。a-Si:H 的光学损耗足够低,足以达到我们的目的。虽然a-Si:H的光学损耗不如低损耗介电,如二氧化钛1,4和晶体硅14,但a-Si:H的制造要简单得多。典型的蒸发和溅射过程不能沉积 a-Si:H 薄膜。通常需要 PECVD。在PECVD过程中,一些来自SiH4和H2气体的氢原子被困在硅原子中,从而产生一个a-Si:H薄膜。有两种方法可以定义 a-Si:H 模式。一个是a-Si:H在图案光刻胶上沉积,然后是升空过程,另一个是通过在a-Si:H胶片上定义蚀刻面膜,然后是蚀刻过程。前者非常适合蒸发过程,但使用蒸发法沉积a-Si:H膜并不容易。因此,后者是创建 a-Si:H 模式的最佳方式。Cr 因其高蚀蚀选择性硅而用作蚀刻掩膜材料。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Plasma enhanced chemical vapor deposition</td>
			<td>BMR Technology</td>
			<td>HiDep-SC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electron beam lithography</td>
			<td>Elionix</td>
			<td>ELS-7800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E-beam evaporation system</td>
			<td>Korea Vacuum Tech</td>
			<td>KVE-E4000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inductively-coupled plasma reactive ion etching</td>
			<td>DMS</td>
			<td>-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaner</td>
			<td>Honda</td>
			<td>W-113</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E-beam resist</td>
			<td>MICROCHEM</td>
			<td>495 PMMA A2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resist developer</td>
			<td>MICROCHEM</td>
			<td>MIBK:IPA=1:3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conducting polymer</td>
			<td>Showa denko</td>
			<td>E-spacer</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chromium etchant</td>
			<td>KMG</td>
			<td>CR-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>J.T. Baker</td>
			<td>925402</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-propanol</td>
			<td>J.T. Baker</td>
			<td>909502</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chromium evaporation source</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVMCR35D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collimated laser diode module</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CPS-635</td>
			<td>wavelength: 635 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ND:YAG laser</td>
			<td>GAM laser</td>
			<td>GAM-2000</td>
			<td>wavelength: 532 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>power meter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>S120VC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD Camera</td>
			<td>INFINITY</td>
			<td>infinity2-2M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ND filter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>NCD-50C-4-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear polarizer</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LPVISA100-MP2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LB1676</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iris</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ID25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Circular polarizer</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td>88-096</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sample holder</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>XYFM1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PECVD software</td>
			<td>BMR Technology</td>
			<td>HIDEP</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces

演示了元表面光束分路器的制造和表征协议,可实现均强度光束生成。氢化非晶硅(a-Si:H)沉积在熔融硅基板上,使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)。蒸发沉积的典型非晶硅会导致严重的光学损耗,从而影响在可见频率下的操作。非晶硅薄膜内的氢原子可以减少结构缺陷,改善光学损耗。在可见频率下操作元表面需要几百纳米的纳米结构。由于衍射极限,传统的光刻或直接激光书写在制造这种小结构时是不可行的。因此,使用电子束光刻 (EBL) 在薄膜上定义铬 (Cr) 掩膜。在此过程中,在低温下开发暴露的电阻,以减缓化学反应,使型板边缘更锐利。最后,使用电感耦合等离子体-反应电蚀刻(ICP-RIE)沿掩膜蚀刻a-Si:H。由于EBL的吞吐量低,该方法在大规模制造中不可行,但可以将其与纳米印迹光刻相结合加以改进。制造器件的特点是定制光学设置,包括激光、偏光器、透镜、功率计和电荷耦合器件(CCD)。通过改变激光波长和极化,测量衍射特性。无论事件极化和波长如何,测量的衍射光束功率始终相等。

测量结果显示此处显示的设备具有极化无关的功能(图1)。无论事件极化状态(即 RCP、LCP 和线性极化),m = 1 的衍射阶的测量光束功率都相等。由于任何任意极化状态都可以由 RCP 和 LCP 的线性组合分解,因此无论极化状态如何,都可以保持器件的功能。对于波长分别为 532 nm 和 635 nm 的衍射角,衍射角度分别为 24° 和 28.5°,可以通过更改编码全息图来控制角度。
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Demonstration of Equal-Intensity Beam Generation by Dielectric Metasurfaces

电介质元表面的等强度光束生成演示

提出了介电元表面的制造和光学表征方案。该方法不仅可用于光束分割器的制造,还可用于一般介电元表面的制造,如透镜、全息图和光学斗篷。

The fabrication and characterization protocol for a metasurface beam splitter, enabling equal-intensity beam generation, is demonstrated. Hydrogenated ...

该协议为实现高效元表面提供了详细的制造方法，是元表面研究领域中最重要的课题之一。与其他测试原子层沉积的方法相比，该技术是一种低成本、快速的制造方法，实现了在可见波长下工作的高效元表面。此协议可以通过更改模式配置应用于制造一般元表面，如镜头、全息图和光学时钟。该技术可对利用硅微和纳米结构的硅光子研究领域提供深入的见解。元表面的基板是熔融石英。准备一个干净的双面抛光方形熔融石英两厘米的一侧。将基板加载到 PECVD 系统中。在负载锁室中，将基板放在夹具上。关闭腔室并准备操作系统。在控制软件中，通过设置温度、射频功率、气体流速和工艺压力来设置沉积过程。沉积后，大约需要300秒，恢复样品。将沉积氢化非晶硅的样品取样到旋转涂布器上。将样品装载到旋转涂布器样品支架上。接下来，得到一个过滤器安装五毫升注射器含有PMMA与2%的 Anusol。在以 2，000 RPM 转速开始旋转一分钟之前，使用 PMMA 涂覆样品。完成后，将样品转移到热板中。在180摄氏度下烘烤样品5分钟。接下来，取出样品冷却一分钟，然后继续。然后将样品返回旋转涂布器。使用一毫升移液器在其表面上释放导电聚合物溶液。以 2，000 RPM 的速度将样品涂覆一分钟。涂层完成后，采取电子束光刻的样品。将样品固定在机器的夹具上。然后将夹具放入机器室并完成装载过程。继续使用控制台，为程序准备电子束光刻系统。准备系统后，在连接到控制台的计算机上工作。在此系统中，使用命令行将 GDS 文件转换为 CEL 文件。转换文件时，输入作业以启动 EBL 软件。使用命令行检查所需的模式是否位于当前目录中的 CEL 格式文件中。输入作业以运行软件。在软件中，单击芯片大小修改菜单。选择 600 微米 600 微米。接下来，选择 240，000 个点。保存更改。然后退出此屏幕。现在单击模式数据创建菜单。在命令窗口中，输入 PS 以加载模式的 CEL 文件。在命令窗口中输入 I。然后单击图案以放大图像。现在，在命令窗口中输入 ST0，将剂量时间设置为三微秒。输入 SP11 将暴露间距设置为正常状态。通过输入 PC 和文件名创建 CCC 文件。完成后，单击图案的中心。若要应用公开条件，请在命令窗口中输入 CP 并单击模式。输入 SV 和文件名以创建 CON 文件。通过输入 Q.Move 单击曝光菜单退出此模式数据创建菜单。输入 I 和所选的 CON 文件名。将剂量值设置为 2.4。按下转义按钮以完成计划。然后输入 E 并单击曝光按钮以开始曝光过程。曝光过程完成后，返回到 EBL 控制台。将隔离按钮关闭。按下 EX 按钮可移动舞台。然后从腔室卸载样品。接下来，准备去除导电聚合物。通过将样品浸入 50 毫升的去化水中一分钟来做到这一点。然后将样品移动到被冰包围的甲基异丁基酮和异丙醇的10毫升溶液中。12分钟后，取出样品，用异丙醇冲洗。用吹气干燥。下一步需要电子束蒸发器。将样品固定在蒸发器支架上，将支架安装在蒸发室内。现在获取用于蒸发器的铬。在石墨熔炉中制备片型铬，将蒸发到样品表面。将熔炉装入腔室。接下来，使用电子束蒸发器的软件。单击腔室泵送按钮，在腔室中产生真空。在材料部分中，选择铬。然后单击材质按钮以应用所选内容。单击 E 光束快门按钮以打开源快门。接下来，单击高电压。单击源，请关注此。使用向上箭头缓慢增加光束功率。以目标沉积速率停止。要重置厚度计，请单击零按钮。单击主快门按钮以打开该快门。监控厚度计。当仪表达到 30 纳米时，单击主快门按钮以关闭快门。单击 E 光束快门以关闭源快门。使用向下箭头缓慢地将光束功率降至零。一旦为零，单击源后跟高电压。让腔室冷却 15 分钟，然后单击通风口。从腔室和支架上拆下样品。接下来，将其用于升空过程。首先，浸入50毫升丙酮中三分钟。在 40 千赫下通过声波跟踪一分钟。用异丙醇冲洗样品，然后用氮气干燥。此时，样品已准备好蚀刻。在将样品连接到蚀刻系统的夹具上之前，先将热胶涂在样品背面。将夹具加载到蚀刻系统中。在计算机中，在蚀刻前设置氯气和溴化氢气体流速、源功率和偏置 100 秒。蚀刻后，卸载样品。使用无尘擦拭，去除热胶。将样品浸入20毫升铬蚀中的两分钟。然后将其转移到50毫升的去水一分钟。用去维水冲洗样品，然后用氮气吹干。这是元表面顶部的扫描电子显微镜图像。每个细胞的基座是150纳米，80纳米。细胞高度为300纳米。在此透视视图中可以看到单元格的其他详细信息。当元表面发生 532 纳米激光束时，测量光束功率的实验演示了器件的极化功能。对于右圆形偏振光束、线性偏振光束和左圆形偏振光束，正负一衍射顺序的功率相等。635纳米激光束的实验也会产生类似的结果。开发方法是最重要的一步，因为由于反应速度慢，我们可以精确控制开发过程。大多数故障发生在干燥步骤中。人们应该记住，强吹总比弱吹好。本程序不仅适用于一般介电元表面，还适用于硅光子和微电子机械系统。一般来说，我们可以通过这种技术制造微妙的纳米结构，因此它为解决光如何与某些波长结构相互作用铺平了道路。PMMA 和开发解决方案蒸汽都是危险的，因此必须在烟气罩中执行涉及它们的过程。

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