Demostración de metahologramas visibles girados multiplexados y multiplexados por dirección
Summary
Presentamos un protocolo para la fabricación de metahologramas visibles multiplexados por giro y dirección, y luego llevamos a cabo un experimento óptico para verificar su función. Estos metahologramas pueden visualizar fácilmente la información codificada, por lo que se pueden utilizar para la visualización volumétrica proyectiva y el cifrado de información.
Abstract
La técnica de holografía óptica realizada por metasurfaces ha surgido como un enfoque novedoso para la visualización volumétrica proyectiva y la visualización de cifrado de información en forma de dispositivos ópticos ultrafinos y casi planos. En comparación con la técnica holográfica convencional con moduladores de luz espacial, el metaholograma tiene numerosas ventajas como la miniaturización de la configuración óptica, una mayor resolución de imagen y un mayor campo de visibilidad para imágenes holográficas. Aquí, se informa de un protocolo para la fabricación y caracterización óptica de metahologramas ópticos que son sensibles al giro y la dirección de la luz incidente. Las metasuperficies están compuestas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), que tiene un gran índice de refracción y un pequeño coeficiente de extinción en todo el rango visible, lo que resulta en una alta transmitancia y eficiencia de difracción. El dispositivo produce diferentes imágenes holográficas cuando se cambia el giro o la dirección de la luz incidente. Por lo tanto, pueden codificar varios tipos de información visual simultáneamente. El protocolo de fabricación consiste en la deposición de película, escritura de haz de electrones y posterior grabado. El dispositivo fabricado se puede caracterizar mediante una configuración óptica personalizada que consta de un láser, un polarizador lineal, una placa de un cuarto de onda, una lente y un dispositivo acoplado a la carga (CCD).
Introduction
Las metasuperficies ópticas compuestas de nanoestructuras de sub-longitud de onda han permitido muchos fenómenos ópticos interesantes, incluyendo la ocultación óptica1, refracción negativa2, absorción de luz perfecta3, filtrado de color4, proyección de imagen holográfica5, y la manipulación de haz6,7,8. Las metasuperficies ópticas que tienen dispersores adecuadamente diseñados pueden modular el espectro, el frente de onda y la polarización de la luz. Las primeras metasuperficies ópticas se fabricaron principalmente utilizando metales nobles (por ejemplo, Au, Ag) debido a su alta reflectividad y facilidad de nanofabricación, pero tienen altas pérdidas ohmicas, por lo que las metasuperficies tienen baja eficiencia en longitudes de onda visibles cortas.
El desarrollo de técnicas de nanofabricación para materiales dieléctricos que tienen bajas pérdidas en la luz visible (por ejemplo, TiO29,GaN10y a-Si:H11)ha permitido la realización de dispositivos ópticos planos altamente eficientes con metasuperficies ópticas. Estos dispositivos tienen aplicaciones en óptica e ingeniería. Una aplicación intrigante es la holografía óptica para la visualización volumétrica proyectiva y el cifrado de información. En comparación con los hologramas convencionales que utilizan moduladores de luz espacial, el metaholograma tiene numerosas ventajas como la miniaturización de la configuración óptica, una mayor resolución de las imágenes holográficas y un mayor campo de visibilidad.
Recientemente, se ha logrado la codificación de múltiples informaciones holográficas en un dispositivo metaholograma de una sola capa. Algunos ejemplos son los metahologramas multiplexados en el giro12,,13, el momento angular orbital14,el ángulo de luz incidente15y la dirección16. Estos esfuerzos han superado la deficiencia crítica de los metahologramas, que es la falta de libertad de diseño en un solo dispositivo. La mayoría de los metahologramas convencionales solo podían producir imágenes holográficas codificadas, pero el dispositivo multiplexado puede codificar varias imágenes holográficas en tiempo real. Por lo tanto, el metaholograma multiplexado es una plataforma de solución crucial hacia la visualización de vídeo holográfico real o hologramas multifuncionales anticounterfeiting.
Aquí se informa que aquí hay protocolos para fabricar metahologramas visibles multiplexados por giro y dirección, y luego para caracterizarlos ópticamente13,,16. Para codificar información visual múltiple en un solo dispositivo de metasuperficie, se diseñan metahologramas que muestran dos imágenes holográficas diferentes cuando se cambia el giro o la dirección de la luz incidente. Para fabricar imágenes holográficas altamente eficientes de una manera comparable con la tecnología CMOS, a-Si:H se utiliza para las metasuperficies y se explotan las resonancias magnéticas duales y las resonancias antiferromagneticas inducidas en su interior. El protocolo de fabricación consiste en la deposición de película, escritura de haz de electrones y grabado. El dispositivo fabricado se caracteriza por una configuración óptica personalizada compuesta por un láser, un polarizador lineal, una placa de un cuarto de onda, una lente y un dispositivo acoplado a la carga (CCD).
Protocol
Representative Results
Discussion
Las metasuperficies a-Si:H se fabricaron en tres pasos principales: deposición de película delgada a-Si:H usando PECVD, EBL preciso y grabado en seco. Entre estos pasos, el proceso de escritura de EBL es el más importante. En primer lugar, la densidad del patrón en las metasuperficies es bastante alta, por lo que el proceso requiere un control preciso sobre la dosis de electrones (energía) y parámetros de escaneo como el número de puntos por área de unidad. La condición de desarrollo también debe elegirse cuida…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado financieramente por las subvenciones de la National Research Foundation (NRF) (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2019R1A5A8080290) financiadas por el Ministerio de Ciencia y TIC del gobierno de Corea. I.K. reconoce la beca NRF Global Ph.D. (NRF-2016H1A2A1906519) financiada por el Ministerio de Educación del gobierno de Corea.
Materials
| Aceton | J.T. Baker | 925402 | |
| Beam splitter | Thorlabs | CCM1-BS013/M | |
| Chromium etchant | KMG | Cr-7 | |
| Chromium evaporation source | Kurt J. Lesker | EVMCR35D | |
| Clamp | Thorlabs | CP175 | |
| Conducting polymer | Showa denko | E-spacer | |
| Diode laser | Thorlabs | CPS635 | |
| E-beam evaporation system | Korea Vacuum Tech | KVE-E4000 | |
| E-beam resist | Microchem | 495 PMMA A2 | |
| Electron beam lithography | Elionix | ELS-7800 | |
| Half-wave plate | Thorlabs | AHWP05M-600 | |
| Inductively-coupled plasma reactive ion etching | DMS | – | |
| Iris | Thorlabs | SM1D12 | |
| Isopropyl alcohol | J.T. Baker | 909502 | |
| Kinematic mirror mount | Thorlabs | KM100/M | |
| Lens | Thorlabs | LB1630 | |
| Lens Mount | Thorlabs | LMR2/M | |
| Linear polarizer | Thorlabs | GTH5-A | |
| Mirror | Thorlabs | PF10-03-G01 | |
| Neutral density filter | Thorlabs | NDC-50C-4 | |
| Plasma enhanced chemical vapor deposition | BMR Technology | HiDep-SC | |
| Post | Thorlabs | TR75/M | |
| Post holder | Thorlabs | PH75E/M | |
| Quarter-wave plate | Thorlabs | AQWP10M-580 | |
| Resist developer | Microchem | MIBK:IPA=1:3 | |
| Rotational mount | Thorlabs | RSP1/M | |
| Scanning electron microscopy | Hitachi | Regulus8100 | |
| XY translation mount | Thorlabs | XYF1/M | |
| 1-inch adapter | Thorlabs | AD11F | |
| 1-inch lens mount | Thorlabs | CP02/M |
References
- Ni, X., Wong, Z. J., Mrejen, M., Wang, Y., Zhang, X. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science. 349 (6254), 1310-1314 (2015).
- Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterials with a negative refractive index. Nature. 455 (7211), 376-379 (2008).
- Kim, I., So, S., Rana, A. S., Mehmood, M. Q., Rho, J. Thermally robust ring-shaped chromium perfect absorber of visible light. Nanophotonics. 7 (11), 1827-1833 (2018).
- Jang, J., et al. Kerker-conditioned dynamic cryptographic nanoprints. Advanced Optical Materials. 7 (4), 1801070 (2019).
- Zheng, G., et al. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology. 10 (4), 308-312 (2015).
- Khorasaninejad, M., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science. 352 (6290), 1190-1194 (2016).
- Li, Z., et al. Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface. Light: Science and Applications. 7 (1), 63 (2018).
- Mahmood, N., et al. Polarization insensitive multifunctional metasurfaces based on all-dielectric nanowaveguides. Nanoscale. 10 (38), 18323-18330 (2018).
- Devlin, R. C., Khorasaninejad, M., Chen, W. T., Oh, J., Capasso, F. Broadband high-efficiency dielectric metasurfaces for the visible spectrum. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (38), 10473-10478 (2016).
- Chen, B. H., et al. GaN metalens for pixel-level full-color routing at visible light. Nano Lett. 17 (10), 6345-6352 (2017).
- Li, Z., et al. Dielectric meta-hologram enabled with dual magnetic resonances in visible light. ACS Nano. 11 (9), 9382-9389 (2017).
- Mueller, J. P. B., Rubin, N. A., Devlin, R. C., Groever, B., Capasso, F. Metasurface polarization optics: Independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Physical Review Letters. 118 (11), 113901 (2017).
- Ansari, M. A., et al. A spin-encoded all-dielectric metahologram for visible light. Laser & Photonics Reviews. 13 (5), 1900065 (2019).
- Ren, H., et al. Metasurface orbital angular momentum holography. Nature Communications. 10 (1), 1-8 (2019).
- Kamali, S. M., et al. Angle-multiplexed metasurfaces: Encoding independent wavefronts in a single metasurface under different illumination angles. Physical Review X. 7 (4), 041056 (2017).
- Ansari, M. A., et al. Engineering spin and antiferromagnetic resonances to realize efficient direction-multiplexed visible meta-hologram. Nanoscale Horizons. 5 (1), 57-64 (2020).
- Yoon, G., Lee, D., Rho, J. Demonstration of equal-intensity beam generation by dielectric metasurfaces. Journal of Visualized Experiments. (148), e59066 (2019).
- Kim, I., et al. Outfitting next generation displays with optical metasurfaces. ACS Photonics. 5 (10), 3876 (2018).
- Kim, K., et al. Facile nanocasting of dielectric metasurfaces with sub-100nm resolution. ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (29), 26109-26115 (2019).
- Yoon, G., et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control. Communications Physics. 2, 129 (2019).
