Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

تصنيع 1-D الضوئية التجويف البلوري على ألياف نانوية عن طريق الاجتثاث التي يسببها الليزر الفيمتو ثانية

Published: February 25, 2017 doi: 10.3791/55136
Automatic Translation
1, 1, 1
1Center for Photonic Innovations, University of Electro-Communications

Summary

نقدم بروتوكول لافتعال 1-D تجاويف الكريستال الضوئية على ألياف السيليكا قطر subwavelength (ألياف النانو البصرية) باستخدام الفيمتو ثانية الاجتثاث التي يسببها الليزر.

Abstract

نقدم بروتوكول لافتعال 1-D الضوئية كريستال (الرعاية الصحية الأولية) تجاويف على subwavelength قطرها الألياف الضوئية مدبب، ألياف النانو البصرية، وذلك باستخدام الفيمتو ثانية الاجتثاث التي يسببها الليزر. وتبين لنا أن الآلاف من الدوري نانو الحفر وملفقة على ألياف نانوية البصري اضاءة فقط مع نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة. لعينة نموذجية، دورية نانو الحفر مع فترة من 350 نانومتر، وقطر مع متفاوتة تدريجيا من 50 - هي ملفقة 250 نانومتر على طول 1 مم على ألياف نانوية مع قطرها حوالي 450-550 نانومتر. أحد الجوانب الرئيسية لهذا nanofabrication هو أن ألياف نانوية نفسها بمثابة عدسة اسطوانية، ويركز على شعاع ليزر الفيمتو ثانية على سطح ظله. وعلاوة على ذلك، وتلفيق احد بالرصاص يجعلها في مأمن من عدم الاستقرار الميكانيكية وغيرها من عيوب التصنيع. هذه الدورية نانو الحفر على ألياف نانوية، بمثابة 1-D الرعاية الصحية الأولية وتمكن انعكاس قوي واسع النطاق مع الحفاظ على انتقال عالية من stopband. نقدم أيضا وسيلة للسيطرة على السيرة الذاتية للمجموعة نانو حفرة لافتعال تجاويف الرعاية الصحية الأولية apodized والناجم عن خلل على ألياف نانوية. الحبس قوي في هذا المجال، على حد سواء العرضي والطولي، في تجاويف الرعاية الصحية الأولية القائمة على ألياف نانوية والتكامل الفعال لشبكات الألياف، قد فتح آفاقا جديدة لتطبيقات بصريات النانو وعلم المعلومات الكمومية.

Introduction

وقد فتحت الحبس قوي من الضوء في أجهزة بصريات النانو آفاق جديدة في العلوم البصرية. وقد مكنت التقنيات الحديثة nanofabrication تلفيق 1-D و D-2 الضوئية كريستال (الرعاية الصحية الأولية) تجاويف لآفاق جديدة في الليزرة 1، 2 الاستشعار والتطبيقات التبديل البصرية 3. وعلاوة على ذلك، فتحت قوي تفاعل ضوء النظر في هذه التجاويف الرعاية الصحية الأولية آفاقا جديدة لعلم المعلومات الكمومية 4. وبصرف النظر عن تجاويف الرعاية الصحية الأولية، أظهرت nanocavities plasmonic أيضا آفاق واعدة 5، 6، 7. ومع ذلك، تفاعل هذه التجاويف لشبكة الاتصالات القائمة على الألياف لا يزال يشكل تحديا.

في السنوات الأخيرة، مدبب الألياف البصرية أحادية النمط مع قطر subwavelength، والمعروفة باسم ألياف نانوية بصري، ظهرت كجهاز بصريات النانو واعد. ويرجع ذلك إلى قويةالحبس عرضية من مجال ألياف نانوية الموجهة والقدرة على التفاعل مع الوسط المحيط، وتكييف ألياف نانوية على نطاق واسع والتحقيق لمختلف التطبيقات بصريات النانو 8. بغض النظر عن ذلك، وأيضا التحقيق فيها بقوة وتنفيذها لمعالجة الكم من الضوء والمادة 9. وقد درس اقتران كفاءة الانبعاثات من بواعث نوعية مثل، عدد قليل من الذرات واحدة / تبريد الليزر ونقاط الكم واحدة، في وسائط ألياف نانوية الموجهة وأظهرت 10، 11، 12، 13، 14، 15. تفاعل ضوء الأمر على ألياف نانوية يمكن أن تحسن بشكل كبير من خلال تنفيذ الرعاية الصحية الأولية هيكل تجويف على ألياف نانوية 16 و 17.

إن الميزة الأساسية لقاوك النظام هو تكنولوجيا الألياف في الخط والتي يمكن دمجها بسهولة في شبكة الاتصال. وقد تجلى نقل الضوء من 99.95٪ من خلال ألياف نانوية مدبب 18. ومع ذلك، فإن انتقال ألياف نانوية عرضة للغبار وتلوث للغاية. وبالتالي، تصنيع هيكل الرعاية الصحية الأولية على ألياف نانوية باستخدام تقنية nanofabrication التقليدية ليست مثمرة للغاية. على الرغم من تلفيق تجويف على ألياف نانوية باستخدام المركزة ايون الشعاع (فيبوناتشي) الطحن وقد تجلى 19، 20، ونوعية البصرية واستنساخ ليست عالية.

في هذا البروتوكول الفيديو، فإننا نقدم في الآونة الأخيرة أظهرت 21، 22 تقنية لصنع تجاويف الرعاية الصحية الأولية على ألياف نانوية باستخدام الاستئصال بالليزر الفيمتو ثانية. يتم تنفيذ افتراءات من خلال خلق نمط التدخل يومين شعاع ليزر الفيمتو ثانية على ألياف نانوية وirradiating نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة. تأثير يصور فوتوغرافيا للألياف نانوية يلعب دورا هاما في جدوى هذه التقنيات، وخلق الحفر الاجتثاث على سطح ظل ألياف نانوية. لعينة نموذجية، دورية نانو الحفر مع فترة من 350 نانومتر، وقطر مع متفاوتة تدريجيا من 50 - هي ملفقة 250 نانومتر على طول 1 مم على ألياف نانوية مع قطرها حوالي 450-550 نانومتر. هذه الدورية نانو الحفر على ألياف نانوية، بمثابة 1-D الرعاية الصحية الأولية. نقدم أيضا وسيلة للسيطرة على السيرة الذاتية للمجموعة نانو حفرة لافتعال تجاويف الرعاية الصحية الأولية apodized والناجم عن خلل على ألياف نانوية.

أحد الجوانب الرئيسية لهذا nanofabrication هو تلفيق جميع البصرية، بحيث يمكن الحفاظ على جودة بصرية عالية. وعلاوة على ذلك، يتم تلفيق من قبل التشعيع من مجرد نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة، مما المناعة تقنية لعدم الاستقرار الميكانيكية وغيرها من عيوب التصنيع. أيضا هذا يتيح إنتاج في بيت للرعاية الصحية الأولية نانوالألياف تجويف بحيث احتمال تعرضها للتلوث يمكن أن يكون الحد الأدنى. ويهدف هذا البروتوكول إلى مساعدة الآخرين تنفيذ والتكيف مع هذا النوع الجديد من تقنية nanofabrication.

ويبين الشكل 1A الرسم التخطيطي من الإعداد تلفيق. وتناقش تفاصيل إجراءات الإعداد تلفيق والمواءمة في 21 و 22. ليزر الفيمتو ثانية مع 400 مركز نانومتر الطول الموجي، و 120 خ عرض النبضة هو حادث على قناع المرحلة. قناع المرحلة يقسم شعاع ليزر الفيمتو ثانية في ل0 و± 1 أوامر. ويستخدم كتلة شعاع لمنع شعاع 0 النظام. مرايا قابلة للطي بشكل متناظر إعادة تجميع ± 1-أوامر في موقف ألياف نانوية، لخلق نمط التدخل. الملعب من قناع المرحلة هو 700 نانومتر، وبالتالي فإن نمط التدخل لديه في الملعب (Λ G) من 350 نانومتر. عدسة اسطوانية تركز شعاع ليزر الفيمتو ثانية على طول ألياف نانوية. حجم شعاع عبر (العمودي)وعلى طول (Z-محور) وألياف نانوية 60 ميكرون و 5.6 ملم على التوالي. هي التي شنت الألياف مدبب على حامل مجهزة بيزو المحرك (PZT) ليمتد الألياف. ويستخدم الغطاء العلوي مع لوحة من الزجاج لحماية ألياف نانوية من الغبار. يتم إصلاح حامل مع الألياف مدبب على مقعد تلفيق مجهزة الترجمة (XYZ) ومراحل دوران (θ). في المرحلة θ تسمح التناوب على عينة ألياف نانوية في YZ-الطائرة. في المرحلة X يمكن أيضا التحكم في زوايا الميل على طول XY- وXZ-الطائرة. يتم وضع كاميرا CCD على مسافة 20 سم من ألياف نانوية وبزاوية 45 درجة في XY-طائرة لمراقبة الموقف ألياف نانوية. يتم تنفيذ جميع التجارب داخل كشك نظيفة مجهزة HEPA (ذات الكفاءة العالية والجسيمات وجذبا لل) مرشحات لتحقيق ظروف خالية من الغبار. حالة خالية من الغبار أمر ضروري للحفاظ على انتقال ألياف نانوية.

شكل 1معارض ب التخطيطي من القياسات البصرية. خلال تلفيق، ويتم رصد الخصائص البصرية لفترة وجيزة قبل إطلاق النطاق العريض (نطاق الطول الموجي: 700-900 نانومتر) مصدر الضوء إلى جانب الألياف في الألياف مدبب وقياس الطيف من الضوء النافذ وينعكس باستخدام عالية الدقة محلل الطيف. ويستخدم مصدر ليزر CW الانضباطي لإيجاد حل سليم وسائط تجويف ولقياس انتقال تجويف المطلق.

نقدم بروتوكول لتصنيع وتوصيف. وينقسم قسم البروتوكول في ثلاثة أقسام فرعية، وإعداد ألياف نانوية وتصنيع ليزر الفيمتو ثانية وتوصيف العينات ملفقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تنبيه: ارتداء النظارات الواقية وتجنب بدقة التعرض المباشر لمصباح الأشعة فوق البنفسجية وأشعة الليزر كل منها ليزر الفيمتو ثانية. ارتداء بدلة غرفة نظيفة والقفازات لتجنب التلوث. التخلص أي القمامة الألياف بشكل صحيح في صندوق القمامة المعينة.

1. إعداد ألياف نانوية

  1. استخدام متجرد الألياف طلاء لتجريد سترة البوليمر من وضع الألياف البصرية واحد لمدة 5 مم في مكانين مفصولة 200 ملم. تنظيف شطري جردت ميكانيكيا باستخدام غرف الأبحاث يمسح انخفض في الميثانول. تراجع الألياف بين هذين أجزاء جردت في الأسيتون. انتظر 10-15 دقيقة حتى سترة من الألياف ينهار. إخراج الألياف من الأسيتون وتنظيف الجزء جرد كامل باستخدام غرف الأبحاث يمسح انخفض في الميثانول.
  2. تعيين الألياف جردت على اثنين من مراحل ألياف نانوية البصرية تصنيع المعدات (ONME) لافتعال ألياف نانوية.
    1. إطلاق الليزر التحقيق في الألياف ورصد transmissioن باستخدام الضوئي وتسجيل نقل البيانات في جهاز الكمبيوتر باستخدام بطاقة ADC. بدء تدفق الغاز باستخدام برنامج ONME وإشعال لهب. تحميل المعلمة الأمثل مسبقا في البرنامج ONME لتصنيع الألياف مدبب مع قطر الخصر من 500 نانومتر، وبدء عملية التصنيع.
      ملاحظة: ONME هو جهاز المتاحة تجاريا، وتهدف إلى افتعال الألياف الضوئية مدبب باستخدام معيار الحرارة وسحب تقنية. ويستخدم مخلوط هيدروجين وأكسجين لهب لتسخين الألياف ومرحلتين الآلية لسحب الألياف. يتم التحكم في تدفق الغاز والحركات مرحلة من برنامج كمبيوتر. ويمكن الحصول على معلمات الأمثل قبل من البائع، بناء على طلب خاص.
  3. بعد تلفيق، وقبض على الألياف مدبب لصاحب ألياف نانوية باستخدام الايبوكسي قابل للشفاء للأشعة فوق البنفسجية. تغطية حامل ألياف نانوية باستخدام الغطاء العلوي مع لوحة من الزجاج (كما هو موضح في الشكل 1A). وضع عينة داخل علبة نظيفة ونقل إلى لا الفيمتو ثانيةوحدة سر تلفيق.

تصنيع 2. الفيمتو ثانية ليزر

  1. محاذاة الإعداد تلفيق
    1. وضع لوحة من الزجاج على مقاعد البدلاء تلفيق على ارتفاع 15 مم. أشرق ليزر الفيمتو ثانية لمدة 5 ق في الطاقة النبض من 1 ميغا جول. التعرف على يزر الفيمتو ثانية التي يسببها الاجتثاث من الجيل الضوء الأبيض، وظهور نمط الاجتثاث كما سطر الضرر على لوحة من الزجاج.
    2. كرر الإجراء من خلال تغيير ارتفاع لوحة من الزجاج باستخدام X-مرحلة من على مقاعد البدلاء تلفيق. لكل تلفيق، ترجمة Y-مرحلة من على مقاعد البدلاء تلفيق من 1 ملم الى جعل تلفيق في وضع جديد.
    3. العثور على ارتفاع لأقوى خط الاجتثاث. في هذا الموقف، وضبط زاوية الميل وموقف واحد من المرايا قابلة للطي لتحقيق أقصى قدر من الاجتثاث. أيضا، تهذيب الميل للX-مرحلة من على مقاعد البدلاء تلفيق لتحقيق أقصى قدر من الاجتثاث.
      ملاحظة: زاوية الميل للمرآة للطي يتم ضبطها باليودنانوغرام صاحب مرآة الحركية المقابض ضبط وموقف المرآة ضبطها من خلال ترجمة المرحلة Z الذي يتم تركيبه.
    4. بعد التحسين، بمناسبة موقف خط الاجتثاث على برنامج الكاميرا CCD وإزالة لوحة من الزجاج.
      ملاحظة: برنامج للتحكم في كاميرا CCD يمكن التقاط صورة وعلامات بالاعتماد على الصورة التي تم التقاطها. كما يمكن توفير البيانات من الصورة التي تم التقاطها وعلامات. منذ المرحلة العاشرة من مقاعد البدلاء تلفيق لا يكون إشارة موقف المطلقة، يتم استخدام اتفاقية مكافحة التصحر صورة كمرجع الموقف في محور السينات. على دقة الصورة CCD هو 10 ميكرون لكل بكسل.
    5. باستخدام -coater البلاتين (حزب العمال)، ومعطف لوحة زجاجية لمدة 60 ثانية لإيداع طبقة 25 نانومتر من حزب العمال على لوحة زجاجية. صورة نمط الاجتثاث على لوحة الزجاج باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). إذا أظهر نمط الاجتثاث هيكل الدوري مع فترة من 350 نانومتر (المتوقع نمط التدخل هامش) ثم آلهو الأمثل ignment. آخر كرر الإجراء (من الخطوة 2.1.1 - 2.1.4) للطاقات نبض الدنيا (أسفل إلى 300 μJ) حتى ينظر إلى نمط الاجتثاث الدوري.
  2. تصنيع apodized تجويف الرعاية الصحية الأولية
    1. وضع الألياف مدبب على مقاعد البدلاء تلفيق مواز تقريبا لخط الاجتثاث ملحوظ على كاميرا CCD.
    2. إرسال الليزر التحقيق (الطاقة = 1 ميغاواط) من خلال الألياف مدبب ومراقبة تناثر من الألياف مدبب على كاميرا CCD. أقوى جزء نثر يتوافق مع المنطقة ألياف نانوية بسبب قطر subwavelength لها.
    3. ترجمة المرحلة Z من على مقاعد البدلاء تلفيق لتوسيط ألياف نانوية لموقف خط الاجتثاث ملحوظ على كاميرا CCD.
    4. إيقاف تشغيل الليزر التحقيق وأشرق ليزر الفيمتو ثانية مع الحد الأدنى من الطاقة النبض (<10 μJ). ترجمة Y-المرحلة تتداخل ألياف نانوية مع شعاع ليزر الفيمتو ثانية. يتم تحديد التداخل عن طريق الإضاءة من ألياف نانوية، طب التوليدerved على كاميرا CCD.
      ملاحظة: يتم محاذاة ألياف نانوية الآن فيما يتعلق شعاع ليزر الفيمتو ثانية على طول Y و Z-المحور.
    5. من أجل مواءمة ألياف نانوية على طول المحور السيني، ترجمة المرحلة X تتداخل موقف ألياف نانوية لموقف خط الاجتثاث ملحوظ على كاميرا CCD.
    6. ترجمة Y-المرحلة لتحقيق أقصى قدر من التداخل من ألياف نانوية مع ليزر الفيمتو ثانية. مراقبة انعكاس لهما أوامر الأولى من ألياف نانوية (يبدو عن اثنين من النقاط المضيئة على لوحة زجاج الغطاء العلوي). مراقبة حركة هذه البقع انعكاس بينما ترجمة Y-مرحلة ذهابا وإيابا.
      ملاحظة: إذا تحركت هذه البقع نحو جانب واحد ثم ألياف نانوية ليست موازية للخط الاجتثاث. في هذه الحالة، وتناوب على مرحلة دوران لجعل بالتوازي ألياف نانوية إلى خط الاجتثاث. عندما تكون موازية، وسوف تظهر بقع انعكاس ومضة.
    7. بعد إجراء مواز ألياف نانوية إلى خط الاجتثاث، ترجمة Y-المرحلة لتحقيق أقصى قدر منتتداخل بين شعاع ليزر الفيمتو ثانية وألياف نانوية، عن طريق قياس قوة الليزر الفيمتو ثانية المنتشرة في وسائط ألياف نانوية الموجهة باستخدام الضوئي في نهاية الألياف مدبب. بعد تحقيق أقصى قدر من التداخل، وتناوب على مرحلة التناوب على زاوية من تلفيق θ = 0.5 درجة.
      ملاحظة: للحصول على أقصى قدر من التداخل بين شعاع ليزر الفيمتو ثانية وألياف نانوية، يتوقع المرء قوة ضوء الليزر الفيمتو ثانية المنتشرة في وسائط ألياف نانوية الموجهة إلى إلى أقصى.
    8. منع ليزر الفيمتو ثانية مع السلطة متر وتعيين الطاقة النبض إلى 0.27 ميغا جول. تغيير إعدادات ليزر الفيمتو ثانية إلى وضع التشعيع احد بالرصاص.
      ملاحظة: في هذا الوضع، يتم إنشاؤها فقط نبضة واحدة عند الضغط على التحول النار، وإلا ليس هناك انتاج الليزر.
      1. إزالة السلطة متر من مسار شعاع الليزر واطلاق النار نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة. هذا يكمل عملية التصنيع.
  3. Fabricatiعلى من الناجم عن خلل الرعاية الصحية الأولية تجويف
    1. تحقق المواءمة بين الإعداد من خلال مراقبة الاجتثاث على طبق من الزجاج كما هو موضح في القسم 2.1. بعد العثور على ارتفاع لأقوى خط الاجتثاث، اضافة الى وجود أسلاك النحاس 0.5 ملم في مركز شعاع ليزر قبل قناع المرحلة. يجب أن تكون الأسلاك النحاسية على طول المحور Y (عمودي على خط الاجتثاث).
    2. التحقق من نمط الاجتثاث على لوحة زجاجية أثناء تغيير الموقف من الأسلاك النحاسية على طول المحور Z. تحديد موقف من الأسلاك النحاسية عندما يظهر نمط الاجتثاث وجود فجوة واحدة في مركز خط الاجتثاث.
    3. بعد محاذاة، نفذ تصنيع ليزر الفيمتو ثانية على ألياف نانوية التالية الإجراء الموضح في القسم 2.2. لهذا تلفيق، تعيين زاوية من تلفيق لθ = 0 درجة.

3. توصيف عينات مصنعة

  1. قياس الخصائص البصرية
    1. إعداد حد ذاتهاكبش للالقياسات البصرية كما هو مبين في الشكل 1B. إطلاق مصدر الضوء النطاق العريض في الألياف مدبب وقياس انتقال وانعكاس الطيف قبل وبعد التصنيع باستخدام محلل الطيف. بعد التصنيع، فإن الطيف انتقال تظهر stopband الموافق صدى براج من العينة ملفقة.
    2. تناوب المجاذيف من المستقطب الألياف مضمنة لتحديد الاستقطاب واتخاذ الأطياف لمدة الاستقطابات متعامدة X-بول وY-POL.
      ملاحظة: للحصول على X-بول (الاستقطاب على طول نانو الحفر) في stopband سيكون الزرقاء تحول 21 (نحو الطول الموجي أقصر)، وسوف تناثر من ألياف نانوية تكون أقوى. بذلك، حدد الاستقطابات من خلال النظر في الطيف وكاميرا CCD.
    3. واحد من الاستقطابات، واتخاذ الأطياف انتقال المرض من خلال تمتد الألياف مدبب باستخدام PZT (كما هو موضح في الشكل 1B). خذ الأطياف التي كتبها stretching الألياف مدبب في الخطوات من 2 ميكرون حتى الحد الأقصى تمتد على طول 20 ميكرون (محدودة من قبل مجموعة مسح PZT). نلاحظ أن صدى براج ستكون حمراء تحول (نحو الطول الموجي الطويل) التي تمتد الألياف مدبب. من هذه الأطياف، وحساب تحول صدى براج، لكل وحدة تمتد طول.
    4. لحل سائط تجويف وقياس انتقال تجويف المطلق، استخدام مصدر ليزر CW الانضباطي. إطلاق الليزر في الألياف مدبب ورصد انتقال باستخدام الضوئي.
    5. تعيين الطول الموجي ليزر إلى حافة الجانب الأحمر من stopband لY-بول واستخدام المستقطب الألياف مضمنة للحد من انتقال العدوى. وبهذه الطريقة، يتم قمع المكون X-بول ويتم اختيار سوى Y-POL. تعيين الطول الموجي ليزر لمزيد من الجانب الأحمر الفرقة الحافة وتسجيل البث بينما تمتد الألياف مدبب 0-20 ميكرون.
      1. تكرار القياس عن طريق تغيير يفل الليزرength إلى الجانب الأزرق في خطوات من 0.3 نانومتر حتى يتم تغطية stopband بأكمله. من هذه البيانات، وإعادة بناء الطيف بأكمله باستخدام البيانات للتحول الرنين لكل وحدة تمتد طول يقاس في الخطوة 3.1.3.
        ملاحظة: للحصول على عينة نموذجية، وstopband (براج الرنين) جنبا إلى جنب مع التحولات وسائط تجويف بنسبة 2 نانومتر التي تمتد الألياف مدبب بنسبة 20 ميكرون والنطاق الطيفي الحرة الحال بالنسبة للأوضاع تجويف ما بين 0،05 حتي 0،5 نانومتر. لطول موجة معين من الليزر مدخل واحد يمكن قياس لا يقل عن 3 - 4 وسائط تجويف التي تمتد الألياف مدبب. يستدل التباعد تردد بين وسائط من بيانات للتحول الرنين لكل وحدة تمتد طول يقاس في الخطوة 3.1.3. تكرار القياس عن طريق تغيير طول موجة الليزر في الخطوات من 0.3 نانومتر، على الأقل 2 - يتم إعادة قياس 3 طرق تجويف متتالية في قياسات متتالية. يمكن للمرء أن إعادة بناء كامل الطيف التي تتراكب نقل البيانات للقياسات متتالية بينما حصيرةموقف تشينغ للقياس إعادة سائط تجويف.
    6. الآن قياس الطيف للاستقطاب الآخرين باستخدام إجراء مماثل على النحو المذكور في خطوات 3.1.5 و 3.1.5.1.
  2. تصوير عينة ملفقة
    1. وضع عينة ملفقة على لوحة معدنية 2 سم طويلة وإصلاح طرفي الألياف مدبب لوحة معدنية باستخدام الأشعة فوق البنفسجية الايبوكسي قابل للشفاء. تأكد من أن الجانب التشعيع من العينة التي يواجهها لوحة معدنية بحيث الجانب الظل يمكن تصوير.
    2. استخدام حزب العمال المغطي لمعطف العينة لمدة 30 ثانية وإيداع طبقة من حزب العمال بسماكة حوالي 10 نانومتر. وضع العينة في ووزارة شؤون المرأة. أخذ صورة SEM من العينة في كل 0.1 ملم على المنطقة ملفقة بالكامل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 2 صورة SEM من شريحة نموذجية من عينة ألياف نانوية ملفقة. فإنه يدل على أن يتم تشكيل دورية نانو الحفر على الجانب المظلم من ألياف نانوية، مع تواتر من 350 نانومتر المقابلة تماما لنمط التدخل. يظهر أقحم عرض موسع للعينة. شكل نانو الحفر هو دائري تقريبا وقطرها نموذجية نانو فوهة البركان حوالي 210 نانومتر.

ويبين الشكل 3A نتائج تلفيق لتجويف الرعاية الصحية الأولية apodized. وتظهر الصورة النمطية للمجموعة نانو فوهة جنبا إلى جنب مع قطر ألياف نانوية المقابلة للزاوية مختلفة تلفيق (θ) والطاقة النبض. الدوائر للدلالة على قطر نانو حفرة والساحات هي قطر ألياف نانوية المقابلة. خطوط هي التمويه يناسب ملامح. البيانات الواردة في تتوافق الأسود والأخضر لعينات فابريتسلمت مع درجة θ = 0، وذلك باستخدام الطاقة نبض 0.35 و 0.17 ميغا جول، على التوالي. البيانات الواردة في تتوافق الحمراء والزرقاء لعينات ملفقة مع θ = 0.5 درجة استخدام الطاقة نبض 0.35 و 0.27 ميغا جول، على التوالي. كما يمكن للمرء أن يرى، وشكلت-الحفر نانو على طول 2-3 ملم على طول ألياف نانوية حيث القطر من ألياف نانوية غير موحد. ويلاحظ وجود apodization في قطر نانو الحفرة المقابلة لتوزيع كثافة الضبابي من شعاع الليزر الفيمتو ثانية. وينظر بشكل واضح أن يتم تقليل قطر نانو الحفر لضعف الطاقة النبض. وعلاوة على ذلك، يتم تقليل عرض الملف الشخصي apodization للنانو الحفر عن طريق زيادة زاوية من تلفيق.

وأظهرت نتيجة تلفيق للرعاية الصحية الأولية تجويف الناجم عن خلل في الشكل 3B. ويلاحظ وجود الشخصية مثل ذروة مزدوجة. لوحظ تغيير تدريجي في قطر عند الحواف الخارجية للقمم، في حين أن diamete تغيرت ص بسرعة على الحافة الداخلية من القمم. ويلاحظ وجود منطقة عيب من 0.5 ملم مع أي نانو الحفر بين قمتين. طول المنطقة عيب يتوافق جيدا مع سمك الأسلاك النحاسية إدراجها في لشعاع ليزر الفيمتو ثانية.

ويبين الشكل 4 الأطياف انتقال لعينة تجويف الرعاية الصحية الأولية apodized الذي يظهر باللون الأزرق في الشكل 3A الشخصي القطر. الأرقام 4A و 4B تظهر أطياف نقل نموذجية للX- وY-الاستقطابات، على التوالي. الطيف للX-بول يظهر المنطقة stopband 793،7-798،8 نانومتر، حيث يسقط إحالته إلى نسبة ضئيلة. وstopband لY-بول أحمر-تحولت وأوسع مقارنة مع X-بول. القمم الحادة التي لوحظت في الجانب الأحمر من stopband هي وسائط تجويف. يتم سرد انتقال الجودة وذروة وسائط تجويف نموذجية في الجدول 1.

"FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 "> أرقام 5A و5B تظهر أطياف انتقال الرعاية الصحية الأولية تجويف الناجم عن خلل لX- وY-الاستقطابات، على التوالي باعتبارها واحدة يمكن أن نرى، ويبدو أن وسائط تجويف حادة على. من جانبي stopband. ومع ذلك، فإن تباعد الوضع في الجانب الأزرق هو أكبر من ذلك بكثير في الجانب الأحمر من الطيف. ويلخص انتقال الجودة وذروة وسائط تجويف نموذجية في الجدول 1.

شكل 1
الشكل 1: رسم تخطيطي للتجربة. (أ) رسم تخطيطي من الإعداد تلفيق. يتم إنشاء نمط التداخل يومين شعاع على ألياف نانوية باستخدام قناع المرحلة كما شاطر الحزمة واثنين من المرايا للطي (انظر النص لمزيد من التفاصيل). ويتم استخدام عدسة اسطوانية إلى خط التركيز على يزر الفيمتو ثانية على طول ألياف نانوية. والمفكره الصفر النظاميستخدم المسيخ لتجنب أي المتبقية ضوء أجل الصفر في منطقة التدخل. تم توصيل الضوئي إلى نهاية واحدة من الألياف مدبب لمراقبة نثر ليزر الفيمتو ثانية في وسائط ألياف نانوية الموجهة. ويستخدم كاميرا CCD لمراقبة الموقف ألياف نانوية. (ب) رسم تخطيطي لقياس الخصائص البصرية. يتم قياس انتقال وانعكاس أطياف من العينات ألياف نانوية ملفقة في وقت واحد من خلال تغيير استقطاب الضوء الإدخال. الرعاية الصحية الأولية، PZT، NPBS وSA دلالة على وضوح الشمس الضوئية، المحرك بيزو، nonpolarizing الخائن شعاع ومحلل الطيف، على التوالي. تم تعديل هذا الرقم من 21. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
فايجوري 2: SEM صورة عينة ملفقة. صورة SEM لعينة نموذجية ملفقة باستخدام احد بالرصاص التشعيع. يظهر أقحم الرأي الموسع. ويلاحظ أن الهياكل نانو فوهة البركان دورية عن الجانب المظلم من ألياف نانوية. تم تعديل هذا الرقم من 21. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3): الملف القطر من صفيف نانو حفرة على ألياف نانوية جنبا إلى جنب مع تخطيطي موجز للطريقة التصنيع. (أ) التعريف قطر للتجويف الرعاية الصحية الأولية apodized. الدوائر للدلالة على قطر نانو حفرة والساحات هي قطر ألياف نانوية المقابلة. خطوط هي التمويه يناسب ملامح. البيانات الواردة في بلوخالمسيخ وتتوافق الخضراء لعينات ملفقة مع θ = 0 درجة، وذلك باستخدام الطاقة نبض 0.35 و 0.17 ميغا جول، على التوالي. البيانات الواردة في تتوافق الحمراء والزرقاء لعينات ملفقة مع θ = 0.5 درجة، وذلك باستخدام الطاقة نبض 0.35 و 0.27 ميغا جول، على التوالي. (ب) ملفقة الشخصي قطر للرعاية الصحية الأولية تجويف الناجم عن خلل باستخدام الطاقة نبض 0.4 ميغا جول. الدوائر الزرقاء والمربعات السوداء تظهر قطر نانو الحفرة وقطرها ألياف نانوية، على التوالي. إعادة استخدام هذا الرقم من 22. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4: نقل أطياف Apodized الرعاية الصحية الأولية تجويف. نقل الطيف من apodized تجويف الرعاية الصحية الأولية ل(أ) X -pol و (ب) Y-POL. أجزاء يتم تكبير الأطياف، والتي تميزت الصناديق الزرقاء وهو مبين في الأشكال. إعادة استخدام هذا الرقم من 22. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5: نقل أطياف الرعاية الصحية الأولية تجويف يسببها عيب. نقل الطيف من الرعاية الصحية الأولية تجويف الناجم عن خلل ل(أ) X-بول و (ب) Y-POL. تتضخم أجزاء من الأطياف، والتي تميزت الصناديق الزرقاء ويظهر في الأشكال. إعادة استخدام هذا الرقم من 22. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

= "1" FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1" FO: المحافظة على مع next.within صفحة = "دائما">
الشكل الوضع F تي [٪] FSR [سم -1] L [مم]
4 ا) (1،2،3) (71، 39، 16) (33، 87، 93) 7.94 0.54
4 (ب) (1،2،3) (500، 27، 11) (21، 30، 73) 3.94 1.09
5 (أ) (1،2،3،4) (198، 115، 50، 21) (25، 39، 64، 83) 3.34 1.28
(ا ب ت ث) (86، 63، 48، 20) (26، 56، 73، 90) 1.58 2.71
5 (ب) (1،2،3،4) (178، 104، 43، 22) (17، 39، 65، 93) 1.36
(ا ب ت ث) (48، 44، 24، 22) (20، 38، 56، 87) 1.25 3.43

الجدول 1: الخصائص البصرية للتجويف وسائط نموذجي. ويلخص الجدول التالي الخصائص البصرية وسائط تجويف نموذجية ملحوظ في أرقام 4A، 4B، 5A و5B. F، T، FSR، والجودة L دلالة، ذروة انتقال، والمباعدة بين الوضع، وطول تجويف المقدرة، على التوالي. إعادة استخدام هذا الجدول من 22.

ملف إضافي 1: الصورة من إعداد ONME. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Supplementaملف ل 2: صور من إعداد تلفيق الفيمتو ثانية ليزر. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تأثير يصور فوتوغرافيا للألياف نانوية يلعب دورا هاما في تقنية تصنيع، وبالتالي خلق نانو الحفر على سطح ظل ألياف نانوية (كما هو موضح في الشكل رقم 2). تأثير يصور فوتوغرافيا للألياف نانوية أيضا يجعل من عملية تصنيع قوية لأي عدم الاستقرار الميكانيكية في الاتجاه العرضي (العمودي). وعلاوة على ذلك، نظرا لأشعة احد بالرصاص، وعدم الاستقرار على طول محاور أخرى لا تؤثر على تلفيق مثل الوقت التشعيع هو 120 فقط خ م (أي عرض النبض). ونتيجة لذلك، هي ملفقة النانو دورية مع دورية محددة جيدا على مدى عدة آلاف من الفترات، من دون أخذ أي رعاية خاصة لقمع الاهتزازات الميكانيكية.

العديد من التقنيات nanofabrication مثل FIB الطحن، شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية والاستئصال بالليزر حتى الفيمتو ثانية، تنفذ نقطة بنقطة تلفيق. تلفيق نقطة من نقاط هي مناسبة تماما لعينات جامدة، حيث ستا الميكانيكيةبيليتي يمكن أن تكون مضمونة. في حالة ألياف النانو البصرية، إذا بقيت الألياف مدبب معلقة دون لمس أي ركيزة صلبة ثم عدم الاستقرار الميكانيكية تؤثر على عملية التصنيع. من ناحية أخرى، إذا تم وضع ألياف نانوية على ركيزة صلبة ثم التلوث من الركيزة نفسها أو بسبب الحفر الركيزة يمكن أن تؤدي إلى تدهور جودة البصرية. على وجه الخصوص، فيما يتعلق تقنية طحن الاكذوبه، عيوب إضافية هي عدم الاستقرار الميكانيكية بسبب الشحن حتى آثار ألياف نانوية والمادية التعديل بسبب التلوث من شعاع أيون نفسها. لذلك، قدم بروتوكول هنا لتلفيق الضوئية طلقة واحدة على ألياف نانوية هو أفضل من تلفيق نقطة بنقطة. ومع ذلك، نقطة بنقطة تلفيق قد يكون من المفضل لبعض التطبيقات التي افتعال نمط تعسفي على ألياف نانوية أمر ضروري.

خطوة حاسمة في البروتوكول هو محاذاة الإعداد تلفيق. منذ كرة القدميتم تنفيذ brication التي كتبها نبض الفيمتو ثانية مع عرض النبضة 120 خ، يجب أن يكون الحد الأدنى الفرق طول مسار بصري بين ± 1-أوامر لضمان التداخل المكاني 23. وينبغي أن يكون الفرق طول مسار أقل من 36 ميكرون لضمان وضوح عالية من هامش التدخل. وبالتالي، فإن موقف وزوايا الميل من المرايا للطي يجب أن تسيطر على وجه التحديد. على الرغم من أن الفيمتو ثانية حجم شعاع الليزر على طول ألياف نانوية هو 5.6 ملم المنطقة تدخل أقل من 1 ملم على طول المحور السيني محدودة بسبب التداخل المكاني للالبقول. كما يجب أن يؤخذ ذلك الحرص على أن شعاع ليزر الفيمتو ثانية هو الحادث بالضبط عمودي على قناع المرحلة ويجب أن تكون موازية للقناع مرحلة مقاعد البدلاء تلفيق. حتى الميل 10 مراد يمكن أن تحدث ما يكفي من الفرق طول الطريق لتغسل هامش التدخل. وأخيرا، ينبغي أن يكون محور العدسة اسطوانية عمودية على وجه التحديد إلى خطوط على القناع المرحلة. وإلا فإنه سوف ايندوم زاوية دوران بين خط ركزت ± 1-أوامر الحد من التداخل بينهما.

شرط حاسم آخر لتصنيع الناجح هو إنتاج ألياف نانوية ذات جودة عالية. للحصول على ارتفاع سائط تجويف الجودة، يجب أن يكون انتقال ألياف نانوية الأصلي> 95٪ ويجب أن تكون خالية من الغبار أو أي تلوث. وأي تلوث على ألياف نانوية لحث على نمط كثافة غير النظامية مما أدى إلى تلفيق غير قابلة للتكرار، وربما حتى كسر ألياف نانوية. يتم الحكم على جودة ألياف نانوية من انتقال عالية ونثر نمط من أنماط الموجهة لوحظ على كاميرا CCD.

أطياف انتقال، كما هو موضح في الشكلين 4 و 5 مناطق العرض stopband حيث ينعكس أكثر من 98٪ من ضوء المدخلات ونقل يسقط بنسبة ضئيلة. انتقال بعيدا عن stopband حوالي 100٪ ضمان تلفيق لا يسبب خسارة كبيرة ويحافظ على جودة البصرية للألياف نانوية. علاوة على ذلك، لوحظ وسائط تجويف عالية الجودة (المدرجة في الجدول 1) داخل stopband يضمن كذلك جودة التصنيع. وstopband مفهومة جيدا من انعكاس براج من الدوري نانو الحفر على ألياف نانوية. صدى براج (λ R = 2N ممثل المؤسسة Λ G) يعتمد على مؤشر فعال (ن EFF) من وضع الموجهة والملعب (Λ G) من هامش التدخل. في البيانات الواردة في هذا البروتوكول، لوحظ stopband حول طول موجي 800 نانومتر. وstopband وسائط تجويف يمكن ضبطها خلال 10-15 نانومتر التي تمتد الألياف مدبب. ومع ذلك، لمواصلة تغيير الطول الموجي صدى واحد يجب تغيير قطر ألياف نانوية لتحقيق ن ممثل المؤسسة مختلف أو تغيير قناع المرحلة لتحقيق مختلف Λ G.

من وسائط تجويف المدرجة في الجدول 1، الجودةقيم تتراوح 30-500 يمكن أن تتحقق. ويرجع ذلك إلى الحبس عرضية قوية من وسائط ألياف نانوية الموجهة، ومن المتوقع cooperativity عالية / العوامل بورسيل لمثل هذه الجودة القيم 16. وtunability النطاق العريض إلى جانب الحبس قوي من الحقل في مثل هذه الرعاية الصحية الأولية تجويف القائم على الألياف يقدم ارتفاع الطلب على مختلف التطبيقات التي تتراوح بين بصريات النانو للعلم المعلومات الكمومية.

في الختام، لقد قدم بروتوكول لافتعال تجاويف 1D الرعاية الصحية الأولية على ألياف السيليكا قطر subwavelength باستخدام الليزر الفيمتو ثانية التي يسببها الاجتثاث. يمكن تنفيذ هذه تقنية تصنيع لجعل مختلف الأجهزة بصريات النانو من الصغير / ألياف النانو ويمكن أن تتكيف مع العمليات nanofabrication أخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Femtosecond Laser Coherent Inc. Libra HE
Phase Mask Ibsen Photonics Custom Made
Optial Nanofiber Manufacturing Equipment   Ishihara Sangyo ONME
ADC Card PicoTech ADC-24
Single mode fiber Fujikura FutureGuide-SM
Broadband source NKT Photonics SuperK EXTREME
CW Tunable Laser Coherent Inc. MBR-110
Spectrum analyser (Transmission spectrum) Thermo Fisher Scientific Nicolet 8700
Spectrum analyser (Reflection spectrum) Ocean Optics QE65000
CCD Camera Thorlabs DCC1545M
Power Meter Thorlabs D3MM
Pt-Coater Vacuum Device Inc. MSP-1S
Scanning Electron Microscope Keyence VE-9800
UV Curable Epoxy NTT-AT AT8105
Photodiode ThorLabs PDA 36A-EC
Clean room wipe TExWipe TX-404
Fiber coating stripper NTT-AT Fiber nippers 250 μm 
Cover glass Matsunami Glass IND,LTD NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm 
PZT NOLIAC NAC 2011-H20
Cylindrical lens stage NewPort M-481-A 
Y,Z stages Chuo Precision Industrial Co., LTD. LD-149-C7
Rotation stage SIGMA KOKI KSPB-1026MH
Z-stage(1), Z-stage(2) NewPort M-460P 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Painter, O. J., et al. Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser. Science. 284, 1819-1821 (1999).
  2. Loncar, M., Scherer, A., Qiu, Y. Photonic crystal laser sources for chemical detection. Appl. Phys. Lett. 82, 4648 (2003).
  3. Tanabe, T., Notomi, M., Mitsugi, S., Shinya, A., Kuramochi, E. All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 87, 151112 (2005).
  4. Yoshie, T., et al. Vacuum Rabi splitting with a single quantum dot in a photonic crystal nanocavity. Nature. 432, 200-203 (2004).
  5. Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
  6. Noginov, M. A., et al. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature. 460, 1110-1112 (2009).
  7. Zhang, X. Y., Zhang, T., Hu, A., Song, Y. J., Duley, W. W. Controllable plasmonic antennas with ultra narrow bandwidth based on silver nano-flags. Appl. Phys. Lett. 101, 153118 (2012).
  8. Tong, L., Zi, F., Guo, X., Lou, J. Optical microfibers and nanofibers: A tutorial. Opt. Comm. 285, 4641-4647 (2012).
  9. Morrissey, M. J., et al. Spectroscopy, manipulation and trapping of neutral atoms, molecules, and other particles using optical nanofibers: A review. Sensors. 13, 10449-10481 (2013).
  10. Kien, F. L., Dutta Gupta, S., Balykin, V. I., Hakuta, K. Spontaneous emission of a cesium atom near a nanofiber: Efficient coupling of light to guided modes. Phys. Rev. A. 72, 032509 (2005).
  11. Nayak, K. P., Melentiev, P. N., Morinaga, M., Kien, F. L., Balykin, V. I., Hakuta, K. Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence. Opt. Express. 15, 5431-5438 (2007).
  12. Nayak, K. P., Hakuta, K. Single atoms on an optical nanofiber. New J. Phys. 10, 053003 (2008).
  13. Nayak, K. P., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Antibunching and bunching of photons in resonance fluorescence from a few atoms into guided modes of an optical nanofiber. Phys. Rev. A. 79, 021801 (2009).
  14. Yalla, R., Nayak, K. P., Hakuta, K. Fluorescence photon measurements from single quantum dots on an optical nanofiber. Opt. Express. 20, 2932-2941 (2012).
  15. Yalla, R., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Efficient Channeling of Fluorescence Photons from Single Quantum Dots into Guided Modes of Optical Nanofiber. Phys. Rev. Lett. 109, 063602 (2012).
  16. Kien, F. L., Hakuta, K. Cavity-enhanced channeling of emission from an atom into a nanofiber. Phys. Rev. A. 80, 053826 (2009).
  17. Kato, S., Aoki, T. Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity. Phys. Rev. Lett. 115, 093603 (2015).
  18. Hoffman, J. E., et al. Ultrahigh transmission optical nanofibers. AIP Advances. 4, 067124 (2014).
  19. Nayak, K. P., et al. Cavity formation on an optical nanofiber using focused ion beam milling technique. Opt. Express. 19, 14040-14050 (2011).
  20. Kien, F. L., Nayak, K. P., Hakuta, K. Nanofibers with Bragg gratings from equidistant holes. J. Modern Opt. 59, 274-286 (2012).
  21. Nayak, K. P., Hakuta, K. Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique. Opt. Express. 21, 2480-2490 (2013).
  22. Nayak, K. P., Zhang, P., Hakuta, K. Optical nanofiber-based photonic crystal cavity. Opt. Lett. 39, 232-235 (2014).
  23. Becker, M., et al. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry. Opt. Express. 16, 19169-19178 (2008).

Tags

الهندسة، العدد 120، بصريات الكمية، بصريات النانو، Nanofabrication، تذرية الليزر والضوئية كريستال، بصري ألياف نانوية، الكم الاستشعار، معلومات الكم
تصنيع 1-D الضوئية التجويف البلوري على ألياف نانوية عن طريق الاجتثاث التي يسببها الليزر الفيمتو ثانية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nayak, K. P., Keloth, J., Hakuta, K. … More

Nayak, K. P., Keloth, J., Hakuta, K. Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation. J. Vis. Exp. (120), e55136, doi:10.3791/55136 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter