Demonstration der Gleich-Intensitätsstrahlerzeugung durch dielektrische Metaoberflächen

Metaoberflächen, bestehend aus zweidimensionalen Subwellenlängenantennen-Arrays, haben viele vielversprechende optische Funktionalitäten gezeigt, wie z.B. achromatische Linsen^1,2, Hologramme^{3,4,5 ,6}und optische Umhänge⁷. Herkömmliche sperrige optische Komponenten können durch ultradünne Metaoberflächen ersetzt werden, während die ursprünglichen Funktionalitäten erhalten bleiben. Ein Strahlteiler ist z. B. ein optisches Gerät, das verwendet wird, um einen einfallenden Strahl in zwei Strahlen zu trennen. Typische Strahlsplitter werden durch die Kombination von zwei dreieckigen Prismen hergestellt. Da ihre Schnittstelleneigenschaften die Eigenschaften der Strahlspaltung bestimmen, ist es schwierig, die physische Größe ohne funktionelle Verschlechterung zu reduzieren. Andererseits können ultradünne Strahlsplitter mit Metaflächen realisiert werden, die mit einem eindimensionalen linearen Phasengradienten^8,9kodiert sind. Die Dicke der Metaoberflächen ist kleiner als ihre Arbeitswellenlängen, und die Trenneigenschaften können durch die Phasenverteilung gesteuert werden.

Wir haben einen Metaoberflächenstrahl-Splitter entwickelt, der gleich intensive Strahlen erzeugen kann, unabhängig von den einfallenden Polarisationszuständen¹⁰. Diese Eigenschaft stammt aus einem Fourier Hologramm. Aufgrund des Bildes von zwei weißen Flecken auf schwarzem Hintergrund ist das erzeugte Hologramm von der Metaoberfläche das gleiche wie das codierte Bild. Das Fourier-Hologramm hat keine spezifische Brennweite, so dass das kodierte Bild im gesamten Raum hinter der Metaoberfläche¹¹beobachtet werden kann. Wenn das gleiche Zwei-Punkt-Bild hinter der Metaoberfläche erzeugt wird, funktioniert es auch als Strahlsplitter. Das Fourier-Hologramm durch die Metaoberfläche erzeugt ein invertiertes Bild, das als Zwillingsbild bezeichnet wird, in Bezug auf die orthogonalen Polarisationszustände. Das Zwillingsbild wird in der Regel als Rauschen betrachtet. Das in dieser Metaoberfläche kodierte Zwei-Punkt-Bild ist jedoch ursprungssymmetrisch, was zu einer perfekten Überlappung der Original- und Zwillingsbilder führt. Da alle Polarisationszustände durch eine lineare Kombination von Rechtshand- (RCP) und Linkshand-Kreispolarisationen (LCP) dargestellt werden können, zeigt das hier beschriebene Gerät die polarisationsunabhängige Funktionalität.

Hier stellen wir ein Protokoll zur Herstellung und optischen Charakterisierung von dielektrischen Metaoberflächen vor, das die Erzeugung von Gleich-Intensität-Strahlen ermöglicht. Die Phasenverteilung dieses Geräts wird aus dem Gerchberg-Saxton (GS)-Algorithmus abgerufen, der in der Regel für phasengebundene Hologramme verwendet wird¹². a-Si:H von 300 nm Dicke wird mit PECVD auf dem geschmolzenen Kieselsäuresubstrat abgelagert. Eine Cr-Maske wird auf dem a-Si:H-Film mit EBL definiert. Das Maskenmuster entspricht der phasenweise, die vom GS-Algorithmus abgeleitet wird. ICP-RIE wird ausgenutzt, um den a-Si:H-Film entlang der Cr-Maske zu ätzen. Der Rest der Cr-Maske wird von Cr etchant entfernt, der die Probenherstellung fertigstellt. Die optische Funktionalität der hergestellten Metaoberfläche wird durch ein maßgeschneidertes optisches Setup charakterisiert. Wenn ein Laserstrahl auf die Metaoberfläche einfällt, wird der übertragene Strahl in drei Teile getrennt, nämlich zwei diffracted Strahlen und ein Null-Ordnungsstrahl. Die diffrierten Balken weichen von einer Verlängerung des Einfallsbalkenpfads ab, während der Null-Ordnungsbalken ihm folgt. Um die Funktionalität dieses Geräts zu überprüfen, haben wir die Strahlleistung, das Strahlprofil und den diffracted Winkel mit einem Leistungsmesser, CCD und einem Winkelmesser gemessen.

Alle verwendeten Fertigungsprozesse und Materialien sind für die Zielfunktionalität optimiert. Bei sichtbaren Arbeitsfrequenzen sollten die einzelnen Antennengrößen ein paar hundert Nanometer betragen, und das Material selbst sollte bei sichtbaren Wellenlängen einen geringen optischen Verlust aufweisen. Bei der Definition solcher kleinen Strukturen sind nur wenige Arten von Herstellungsmethoden anwendbar. Typische Photolithographie sowie direktes Laserschreiben sind aufgrund der Beugungsgrenze nicht in der Lage, die Herstellung zu ermöglichen. Fokussiertes Ionenstrahlfräsen kann verwendet werden, aber es gibt kritische Probleme der Galliumkontamination, der Abhängigkeit von Musterdesigns und der langsamen Prozessgeschwindigkeit. Praktisch ist EBL die einzige Möglichkeit, die Herstellung vonMetaoberflächen zu erleichtern, die mit sichtbaren Frequenzen 13 arbeiten.

Dielektrika werden in der Regel aufgrund des unvermeidlichen ohmschen Verlustes von Metallen bevorzugt. Der optische Verlust von a-Si:H ist niedrig genug für unseren Zweck. Obwohl der optische Verlust von a-Si:H nicht so gering ist wie verlustarme Dielektrika wie Titandioxid^1,4 und kristallines Silizium^14,ist die Herstellung von a-Si:H viel einfacher. Typische Verdampfungs- und Sputterprozesse sind nicht in der Lage, eine a-Si:H-Folie absetzen zu können. PECVD ist in der Regel erforderlich. Während des PECVD-Prozesses werden einige Wasserstoffatome aus SiH_4- und H2-Gasen unter den Siliziumatomen eingeschlossen, was zu einem a-Si:H-Film führt. Es gibt zwei Möglichkeiten, a-Si:H-Muster zu definieren. Das eine ist die Ablagerung von a-Si:H auf einem gemusterten Photoresist, gefolgt vom Abhebevorgang, und das andere ist die Definition einer Ätzmaske auf dem a-Si:H-Film, gefolgt vom Ätzprozess. Ersteres eignet sich gut für Verdampfungsprozesse, aber es ist nicht einfach, a-Si:H-Folie mittels Verdunstung abzulagern. Daher ist letzteres der optimale Weg, um a-Si:H-Muster zu machen. Cr wird als Ätzmaskenmaterial wegen seiner hohen Ätzselektivität mit Silizium verwendet.