Демонстрация поколения равной интенсивности луча диэлектрическими метаповерхностями

Метаповерхности, состоящие из двухмерных подволяновых антенных массивов, продемонстрировалимножество перспективных оптических функций, таких как ахроматические линзы 1,², голограммы 3,^{4,5 ,6}, и оптические плащи⁷. Обычные громоздкие оптические компоненты могут быть заменены ультратонкими метаповерхностями, сохраняя при этом первоначальную функциональность. Например, сплиттер пучка является оптическим устройством, используемым для разделения лучей инцидента на два луча. Типичные сплиттеры пучка сделаны путем объединения двух треугольных призм. Поскольку их характеристики интерфейса определяют свойства расщепления луча, трудно уменьшить физический размер без функциональной деградации. С другой стороны, ультратонкие сплиттеры пучка могут быть реализованы с помощьюметаповерхностей, закодированных одномерным линейным градиентом фазы 8,⁹. Толщина метаповерхностей меньше, чем их рабочие длины волн, а свойства разделения могут контролироваться распределением фаз.

Мы разработали сплиттер метаповерхности, который может генерировать равноинтенсивные лучи независимо от состояния поляризации инцидента^10. Эта характеристика происходит от голограммы Фурье. Благодаря изображению двух белых пятен на черном фоне, сгенерированная голограмма с метаповерхности такая же, как и закодированное изображение. Голограмма Фурье не имеет определенного фокусного длины, поэтому закодированное изображение можно наблюдать во всем пространстве за метаповерхностью^11. Если за метаповерхностью генерируется одно и то же двухточечное изображение, оно также работает как сплиттер луча. Голограмма Фурье по метаповерхности создает перевернутое изображение, которое называется двойным изображением, по отношению к состояниям ортогонализации. Двойное изображение обычно рассматривается как шум. Тем не менее, двухместное изображение, закодированное в этой метаповерхности, является источником-симметричным, что приводит к идеальному перекрытию исходных и двойных изображений. В виду того что любые положения поляризации могут быть представлены линейной комбинацией right-handed (RCP) и left-handed (LCP) круговой поляризации, прибор описанный здесь показывает поляризацию-независимую функциональность.

Здесь мы представляем протокол для изготовления и оптической характеристики диэлектрических метаповерхностей, позволяющих одноимную генерацию пучка. Фазовое распределение этого устройства извлекается из алгоритма Герхберг-Сакстон (GS), который обычно используется для фазовых голограмм^12. a-Si:H толщиной 300 нм откладывается на срослом субстрате кремнезема с использованием PECVD. Маска Cr определяется на пленке a-Si:H с использованием EBL. Шаблон маски соответствует фазовому распределению, полученному из алгоритма GS. ICP-RIE используется для травления a-Si:H пленки вдоль маски Cr. Остальная часть маски Cr удаляется Cr etchant, завершающим изготовление образца. Оптическая функциональность изготовленного метаповерхности характеризуется с помощью индивидуальной оптической установки. Когда лазерный луч является инцидентом с метаповерхность, передаваемый луч делится на три части, а именно два диффравенных луча и один луч нулевого порядка. Диффраутированные лучи отклоняются от расширения пути луча инцидента, в то время как пучок нулевого порядка следует за ним. Чтобы проверить функциональность этого устройства, мы измерили силу луча, профиль луча и размножительный угол с помощью счетчика мощности, CCD и protractor, соответственно.

Все используемые процессы изготовления и материалы оптимизированы для целевой функциональности. Для видимых рабочих частот отдельные размеры антенны должны сосужаться в несколько сотен нанометров, а сам материал должен иметь низкую оптическую потерю на видимых длинах волн. При определении таких небольших структур применимы лишь несколько видов методов изготовления. Типичная фотолитография, а также прямое лазерное письмо, неспособны к изготовлению из-за предела дифракции. Сосредоточенный ионный луч фрезерования могут быть использованы, но Есть критические вопросы загрязнения галлия, шаблон дизайн зависимости, и медленная скорость процесса. Практически, EBL является единственным способом облегчить изготовление метаповерхностей, работающих на видимых частотах¹³.

Диэлектрики, как правило, предпочитают из-за неизбежной потери ohmic металлов. Оптическая потеря a-Si:H достаточно низка для нашей цели. Хотя оптическая потеря a-Si:H не так низко, как низкой потеридиэлектрики, такие как диоксид титана 1,⁴ и кристаллический кремний¹⁴, изготовление a-Si:H гораздо проще. Типичные процессы испарения и распыления не способны к осаждению пленки a-Si:H. PECVD обычно требуется. Во время процесса PECVD, некоторые атомы водорода из SiH₄ и H₂ газов оказались в ловушке среди атомов кремния, в результате чего a-Si:H пленки. Существует два способа определения шаблонов a-Si:H. Одним из них является осаждение a-Si:H на узорчатом фоторезистом, за которым следует процесс подъема, а другой – определение маски для травления на пленке a-Si:H, за которой следует процесс травления. Первый хорошо подходит для процессов испарения, но это не легко отойти на хранение a-Si:H пленки с помощью испарения. Таким образом, последний является оптимальным способом сделать a-Si:H шаблонов. Cr используется в качестве материала маски травления из-за его высокой селективности травления с кремнием.