Demonstração da geração de feixe de intensidade igual por Metasurfaces dielétricas

Metasurfaces consistindo de matrizes bidimensionais da antena do subcomprimento de onda demonstraram muitas funcionalidades óticas prometedoras, tais como lentes acromáticas^1,2, hologramas^{3,4,5 ,6}e capas ópticas⁷. Os componentes ópticos volumosos convencionais podem ser substituídos por superfícies ultratinas, mantendo as funcionalidades originais. Por exemplo, um divisor de viga é um dispositivo óptico usado para separar um feixe de incidente em dois feixes. Os divisores típicos do feixe são feitos combinando dois prismas triangulares. Uma vez que suas características de interface determinam as propriedades de divisão de feixe, é difícil reduzir o tamanho físico sem degradação funcional. Por outro lado, os divisores de feixe ultrafinos podem ser realizados com superfícies codificadas com um gradiente de fase linear unidimensional^8,9. A espessura de superfícies é menor do que seus comprimentos de onda de trabalho, e as propriedades de separação podem ser controladas pela distribuição da fase.

Nós projetamos um divisor do feixe do metasurface que possa gerar feixes da igual-intensidade não obstante os Estados do polarização do incidente¹⁰. Esta característica vem de um holograma de Fourier. Devido à imagem de dois pontos brancos em um fundo preto, o holograma gerado do metasurface é o mesmo que a imagem codificada. O holograma de Fourier não tem um comprimento focal específico, assim que a imagem codificada pode ser observada no espaço inteiro atrás do metasurface¹¹. Se a mesma imagem de dois pontos é gerada atrás do metasurface, ele também funciona como um divisor de viga. O holograma de Fourier pelo metasurface cria uma imagem invertida, que é chamada de imagem gêmea, em relação aos Estados de polarização ortogonal. A imagem gêmea é considerada tipicamente como o ruído. No entanto, a imagem de dois pontos codificada neste metasurface é de origem simétrica, resultando em uma sobreposição perfeita das imagens originais e gêmeas. Desde que todos os Estados da polarização podem ser representados por uma combinação linear de polarizações circulares destros (RCP) e canhoto (LCP), o dispositivo descrito aqui mostra a funcionalidade polarização-independente.

Aqui, apresentamos um protocolo para a fabricação e caracterização óptica de superfícies dielétricas possibilitando geração de feixe de igual intensidade. A distribuição da fase deste dispositivo é recuperada do algoritmo de Gerchberg-Saxton (GS), que é usado geralmente para hologramas da fase-somente¹². a-si: H de 300 nm de espessura é depositado no substrato de sílica fundida, utilizando PECVD. Uma máscara CR é definida no filme a-si: H, usando EBL. O padrão de máscara corresponde à distribuição de fase derivada do algoritmo GS. ICP-RIE é explorada para gravar o filme a-si: H ao longo da máscara CR. O resto da máscara CR é removido por CR Etchant finalizando a fabricação da amostra. A funcionalidade óptica do metasurface fabricado é caracterizada usando uma configuração óptica personalizada. Quando um feixe de laser é incidente ao metasurface, o feixe transmitido é separado em três porções, a saber dois feixes difratada e um feixe do zeroth-Order. Os feixes difratada desviam-se de uma extensão do trajeto do feixe do incidente quando o feixe do zeroth-Order o seguir. Para verificar a funcionalidade deste dispositivo, Nós medimos o poder do feixe, o perfil do feixe, e o ângulo difratada usando um medidor de poder, um CCD, e um transferidor, respectivamente.

Todos os processos de fabricação e materiais utilizados são otimizados para a funcionalidade de destino. Para freqüências de trabalho visíveis, os tamanhos individuais da antena devem ser algumas centenas de nanometers, e o material próprio deve ter uma baixa perda ótica em comprimentos de onda visíveis. Somente alguns tipos de métodos da fabricação são aplicáveis ao definir tais estruturas pequenas. A fotolitografia típica, assim como a escrita direta do laser, são incapazes da fabricação devido ao limite da difração. O fresamento de feixe de íons focado pode ser usado, mas há problemas críticos de contaminação por gálio, dependência de design de padrão e velocidade lenta do processo. Praticamente, a EBL é a única maneira de facilitar a fabricação de superfícies trabalhando em freqüências visíveis¹³.

Os dielectrics são preferiu geralmente devido à perda Ôhmico inevitável de metais. A perda óptica de a-si: H é baixo o suficiente para o nosso propósito. Embora a perda óptica de a-si: h não seja tão baixa como dielétricos de baixa perda, como o dióxido de titânio^1,4 e o silício cristalino¹⁴, a fabricação de a-si: h é muito mais simples. Processos típicos de evaporação e sputtering não são capazes de deposição de um filme a-si: H. PECVD é geralmente necessário. Durante o processo PECVD, alguns átomos de hidrogênio dos gases SiH₄ e H₂ estão presos entre os átomos de silício, resultando em um filme a-si: H. Há duas maneiras de definir os padrões de a-si: H. Um deles é a deposição de a-si: H em um fotororgista estampado, seguido pelo processo de levantamento, e o outro é definindo uma máscara de gravura no filme a-si: H, seguido do processo de condicionamento. O primeiro é bem adequado para processos de evaporação, mas não é fácil de depositar a-si: H filme usando evaporação. Daqui, o último é a maneira óptima de fazer padrões de a-si: H. CR é usado como o material de máscara de gravura por causa de sua selectividade de alta gravura com silício.