Demonstratie van gelijke-intensiteit Beam generatie door diëlektrische meta vlakken

Meta meters bestaande uit tweedimensionale antenne arrays met een subgolf lengte hebben vele veelbelovende optische functionaliteiten aangetoond, zoals Achromatische lenzen^1,2, hologrammen^{3,4,5 ,6}en optische mantels⁷. Conventionele volumineuze optische componenten kunnen worden vervangen door ultradunne Metasequoia met behoud van de originele functionaliteiten. Een straal splitter is bijvoorbeeld een optisch apparaat dat wordt gebruikt om een incident straal in twee stralen te scheiden. Typische beam splitters worden gemaakt door twee driehoekige prisma’s te combineren. Omdat hun Interface kenmerken de bundel splitsings eigenschappen bepalen, is het moeilijk om de fysieke grootte te verminderen zonder functionele degradatie. Aan de andere kant kunnen ultradunne straal splitters worden gerealiseerd met Metasequoia gecodeerd met een eendimensionale lineaire fase gradiënt^8,9. De dikte van Metasequoia is kleiner dan hun werk golflengten, en scheidings eigenschappen kunnen worden bestuurd door de faseverdeling.

We ontwierpen een metasurface Beam splitter die gelijke-intensiteit stralen kan genereren ongeacht de incident polarisatie toestanden¹⁰. Dit kenmerk is afkomstig van een Fourier-hologram. Als gevolg van het beeld van twee witte vlekken op een zwarte achtergrond, gegenereerde hologram van de meta Face is hetzelfde als de gecodeerde afbeelding. Het Fourier-hologram heeft geen specifieke brandpuntsafstand, zodat het gecodeerde beeld in de hele ruimte achter de Metasequoia¹¹kan worden waargenomen. Als het zelfde beeld van twee vlekken achter de Metasequoia wordt gegenereerd, werkt het ook als een straal splitter. Het Fourier-hologram van de Metasequoia creëert een omgekeerd beeld, dat een tweeling beeld wordt genoemd, met betrekking tot de orthogonale polarisatie toestanden. Het dubbele beeld wordt meestal beschouwd als ruis. Echter, de twee-spot afbeelding gecodeerd in deze Metasequoia is oorsprong-symmetrische, wat resulteert in een perfecte overlapping van de originele en dubbele afbeeldingen. Aangezien polarisatie toestanden kunnen worden weergegeven door een lineaire combinatie van rechtshandige (RCP) en linkshandige (LCP) circulaire polarisaties, toont het hier beschreven apparaat de polarisatie-onafhankelijke functionaliteit.

Hier presenteren we een protocol voor de fabricage en optische karakterisering van diëlektrische meta meters die een gelijke intensiteit van de bundel generatie mogelijk maken. De faseverdeling van dit apparaat wordt opgehaald uit het Gerchberg-Saxton (GS)-algoritme, dat over het algemeen wordt gebruikt voor fase-alleen hologrammen¹². a-Si: H van 300 nm dik wordt afgezet op het gesmolten silica substraat, met behulp van PECVD. Een CR-masker is gedefinieerd op de a-Si: H-film, met behulp van EBL. Het masker patroon komt overeen met de faseverdeling die is afgeleid van het GS-algoritme. ICP-RIE wordt uitgebuit om de a-Si: H-film langs het CR-masker te etsen. De rest van het CR-masker wordt verwijderd door CR-etsmiddel om de monster fabricage te voltooien. De optische functionaliteit van de gefabriceerde metaforen wordt gekenmerkt door een aangepaste optische instelling. Wanneer een laserstraal is incident aan de meta face, de uitgezonden straal is onderverdeeld in drie delen, namelijk twee verstrooide balken en één zeroth-orde Beam. De verstrooide stralen afwijken van een uitbreiding van het incident Beam pad, terwijl de zeroth-order Beam volgt. Om de functionaliteit van dit apparaat te controleren, hebben we het stralingsvermogen, het profiel van de straal en de verstrooide hoek gemeten met respectievelijk een Vermogensmeter, CCD en Protractor.

Alle fabricageprocessen en gebruikte materialen zijn geoptimaliseerd voor de doel functionaliteit. Voor zichtbare Werkfrequenties moeten de individuele antenne maten enkele honderden nanometers zijn en het materiaal zelf moet een laag optisch verlies hebben bij zichtbare golflengten. Bij het definiëren van dergelijke kleine constructies zijn slechts enkele soorten fabricagemethoden van toepassing. Typische foto lithografie, evenals direct Laser schrijven, zijn niet in staat om de fabricage als gevolg van de diffractie limiet. Gericht ionen straal frezen kan worden gebruikt, maar er zijn kritische problemen van gallium besmetting, patroon ontwerp afhankelijkheid en de langzame processnelheid. Praktisch, EBL is de enige manier om de vervaardiging van metaforen werken op zichtbare frequenties¹³.

Dielectrics hebben meestal de voorkeur als gevolg van de onvermijdelijke a ohms verlies van metalen. Het optische verlies van a-Si: H is laag genoeg voor ons doel. Hoewel het optische verlies van a-Si: h niet zo laag is als lage-verlies diëlekten zoals titaniumdioxide^1,4 en kristallijn silicium¹⁴, is de fabricage van a-Si: h veel eenvoudiger. Typische verdampings-en sputterende processen zijn niet in staat de afzetting van een a-Si: H film. PECVD is meestal vereist. Tijdens het PECVD-proces worden sommige waterstofatomen van SiH₄ -en H₂ -gassen gevangen tussen de siliciumatomen, wat resulteert in een a-Si: H-film. Er zijn twee manieren om a-Si: H-patronen te definiëren. Een daarvan is de afzetting van a-Si: H op een fotororesist met een patroon, gevolgd door het Lift-off proces, en de andere is door het definiëren van een etsen masker op de a-Si: H film, gevolgd door het etsen proces. De eerste is zeer geschikt voor verdampings processen, maar het is niet eenvoudig om a-Si: H-film te storten met verdamping. Vandaar, de laatste is de optimale manier om a-Si: H patronen te maken. CR wordt gebruikt als het etsen masker materiaal vanwege de hoge etsen selectiviteit met silicium.