Ovládání polarizace pomocí dielektrického metapovrchu

Polarization manipulation using dielectric metasurface

Functioning sample

Dielektrické optické metapovrchy umožňují ovládat fázi prošlého světla bez absorpčních ztrát, díky čemu lze replikovat funkčnost tradičních optických prvků s velkou účinností v malém prostoru. Některé z interakcí, které předurčují změnu fáze světla po průchodu stavebním blokem metapovrchu (nanostrukturou), jsou polarizačně citlivé. Z tohoto těží i představený dielektrický metapovrch s funkcí půlvlnné destičky, který pokud je umístěn mezi dva zkřížené/ resp. paralelní polarizátory, propouští dvě různé (aditivní/resp. subtraktivní) barvy světla s definovanou lineární polarizací. Příprava dielektrického metapovrchu probíhala ve spolupráci s Ústavem přístrojové techniky Akademie Věd ČR. Zde byla užitím elektronové litografie s vysokým urychlovacím napětím elektronů vytvořena rezistová maska pro přípravu stavebních kamenů metapovrchu s vysokým poměrem stran. Metodou depozice atomárních vrstev byla maska vyplněna oxidem titaničitým. Přebytečná vrstva oxidu byla zleptána pomocí reaktivního iontového leptání, čímž byla odhalena rezistová maska. K jejímu odstranění bylo použito kyslíkové plazma. Návrh jednotlivých stavebních kamenů metapovrchu byl podložen simulacemi jejich optické odezvy v konfiguraci zkřížených a paralelních polarizátorů. Vyrobený metapovrch byl podroben strukturální charakterizaci pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a optické charakterizaci, jež měla za cíl experimentálně potvrdit závěry simulací a navrženou funkcionalitu metapovrchu.

Dielectric optical metasurfaces enable us to control transmitted light phase without absorption losses and thus, the functionality of traditional optical components can be replicated with high efficiency in confined dimensions. Some of the interactions which determine the change in phase of light after transmission though a metasurface building block (a nanostructure) are polarization sensitive. This fact is used in the presented metasurface, which acts as a half-wave plate. If located between two crossed (or two parallel) polarizers, the metasurface transmits light with defined linear polarization and with two different (additive or subtractive) colors. The fabrication of the dielectric metasurface was realized in cooperation with the Institute of Scientific Instruments of the Czech Academy of Sciences. Here, using high-energy electron beam lithography, a resist mask was created for the preparation of metasurface building block with high aspect ratio between their height and their lateral dimensions. The resist mask was filled with titanium dioxide using atomic layer deposition method. The residual oxide layer was removed with ion beam etching thus revealing the resist mask, which was then stripped away by an oxygen plasma. The design of individual metasurface building blocks was based on numerical simulations of their optical response in the configuration of two crossed and parallel polarizes. The fabricated metasurface was characterized structurally, using scanning electron microscopy, and optically, to confirm the simulation’s conclusions and verify the designed functionality of the metasurface in experiment.

dielectric metasurfaces, polarization, half-wave plate, color filter

dielectric metasurfaces, polarization, half-wave plate, color filter

CEITEC VUT, Purkyňova 123, Brno-Medlánky, 612 00

In order to use the result by another entity, it is always necessary to acquire a license