Name: Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 2 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung eindimensionaler photonischer Kristallhöhlen auf Nanofasern mittels Femtosekundenlaser-Ablation. Diese Methode ermöglicht präzise Nanostrukturen für Anwendungen in der Nanophotonik und Quanteninformationstechnologie.

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Diese Arbeit wurde von der Japan Science and Technology Agency (JST) durch das Strategic Innovation Program unterstützt. KPN bedankt sich für die Unterstützung durch einen Zuschuss für wissenschaftliche Forschung (Förderkennzeichen 15H05462) der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

VORSICHT: Tragen Sie eine Schutzbrille und streng direkte Einwirkung von UV-Lampe zu verhindern und alle Laser, einschließlich der Femtosekundenlaser. Tragen Sie einen Reinraumanzug und Handschuhe Kontamination zu vermeiden. Entsorgen Sie jede Faser Müll richtig in der vorgesehenen Abfallkasten. 1. Vorbereitung Nanofaser <ol><li> an zwei Stellen getrennt, um 200 mm verwenden, um eine Faserbeschichtung Stripper für eine Länge von 5 mm der Polymermantel des optischen Einmodenfaser abzustreifen. Reinigen Sie die beiden mechanisch abgestreift Teile mit Reinraum- wipe in Methanol getaucht. Tauchen Sie die Faser zwischen diesen beiden gestrippt Teile in Aceton. Warten Sie 10 - 15 min bis der Mantel der Faser auseinander fallen. Nehmen Sie die Faser, die aus Aceton und reinigen Sie die gesamte abisolierten Teil Reinraum- Tupfer in Methanol getaucht. </li><li> Stellen Sie die gestrippt Faser auf die beiden Stufen der optischen Nanofaser Herstellung Equipment (onme), um die Nanofaser herzustellen. <ol><li> Starten Sie die Sonde Laser in die Faser und überwachen die Transn unter Verwendung der Photodiode und notieren Sie die Übertragungsdaten in den Computer, um die ADC-Karte. Starten Sie den Gasstrom die onme Software und die Flamme entzünden. Laden die voroptimierten Parameter in der onme Software für die Herstellung von konischen Fasern mit Taillendurchmesser von 500 nm und den Herstellungsprozess zu starten. HINWEIS: Die onme ist ein kommerziell erhältliches Gerät, konzipiert verjüngende Lichtleitfasern Technik unter Verwendung von Standard-Wärme-Pull herzustellen. Es verwendet Knallgasflamme, die Faser und zwei motorisierte Stufen zu erwärmen, um die Faser zu ziehen. Der Gasstrom und die Bühne Bewegungen werden durch Computerprogramm gesteuert. Die voroptimierten Parameter können vom Hersteller, auf spezielle Anfrage erhältlich. </li></ol></li><li> Nach der Fertigung, die verjüngte Faser auf die Nanofaser Halter fangen die UV-härtbaren Epoxid verwendet wird. Decken Sie die Nanofaserhalter die obere Abdeckung mit Glasplatte mit (in der Abbildung 1a gezeigt). Legen Sie die Probe in einem Reinfeld und Transfer zum Femtosekunden laser Fertigungseinheit. </li></ol> 2. Femtosekunden-Laser Fabrication <ol><li> Die Ausrichtung der Fertigung Setup <ol><li> Legen Sie eine Glasplatte, auf die Herstellung Bank in einer Höhe von 15 mm. Bestrahlen der Femtosekundenlaser für 5 s bei Pulsenergie von 1 mJ. Identifizieren Sie die Femtosekunden-Laser-Ablation von der Weißlichterzeugung induziert wird, und das Auftreten von Ablationsmusters als Schaden-line auf der Glasplatte. </li><li> Wiederholen Sie den Vorgang, indem die Höhe der Glasplatte Ändern der X-Stufe des Herstellungsbank benutzen. Für jede Fertigung, zu übersetzen, die Y-Stufe des Herstellungsbank von 1 mm die Fertigung in einer neuen Position zu machen. </li><li> Finden Sie die Höhe für die stärkste Ablationslinie. In dieser Position wird eine Feinabstimmung der Neigungswinkel und die Position einer der Faltspiegel die Ablation zu maximieren. Auch eine Feinabstimmung der Neigung der X-Stufe des Herstellungs bench die Ablation zu maximieren. HINWEIS: Der Neigungswinkel des Klappspiegel abgestimmt using der kinematischen Halter -drehknöpfe Spiegel und die Position des Spiegels wird durch die Übersetzung der Z-Stufe abgestimmt, auf dem sie angebracht ist. </li><li> Nach der Optimierung auf der CCD-Kamera-Software die Position der Ablationslinie markieren und die Glasplatte zu entfernen. HINWEIS: Die Steuerungssoftware für die CCD-Kamera ermöglicht Bildaufnahme und Zeichenmarkierungen auf dem aufgenommenen Bild. Es ermöglicht auch die Daten des aufgenommenen Bildes und die Markierungen speichern. Da die X-Stufe des Herstellungsbank nicht absolute Positionsbezug hat, wird das CCD-Bild als Positionsbezug in der X-Achse verwendet. Die Auflösung des CCD-Bild ist 10 &amp; mgr; m pro Pixel. </li><li> Mit dem Platin (Pt) -coater, beschichten die Glasplatte für 60 s eine 25 nm dicke Schicht aus Pt auf der Glasplatte abgeschieden werden. Bild der Ablationsmusters auf der Glasplatte mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM). Wenn die Abtragungsmuster zeigt periodische Struktur mit einer Periode von 350 nm (der erwartete Interferenzstreifenmuster), dann die Alignment optimiert. Else wiederholen Sie den Vorgang (aus Schritt 2.1.1 - 2.1.4) für niedrigere Pulsenergien (bis zu 300 &amp; mgr; J), bis eine periodische Ablationsmusters zu sehen ist. </li></ol></li><li> Die Herstellung von apodisierter PhC Hohlraum <ol><li> Platzieren Sie die sich verjüngende Faser auf der Fertigungs bench etwa parallel zur Ablation Linie auf der CCD-Kamera markiert. </li><li> Senden Sie eine Sonde Laser (Leistung = 1 mW) durch den sich verjüngenden Faser und beobachten Sie die Streuung von der konischen Faser auf der CCD-Kamera. Die stärkste Streuung Teil entspricht dem Nanobereich aufgrund seiner Sublambdabereich Durchmesser. </li><li> Übersetzen Sie die Z-Stufe der Herstellung Bank die Nanofaser auf die Ablationslinie Position auf der CCD-Kamera markiert zu zentrieren. </li><li> Schalten Sie die Sonde Laser aus und bestrahlen den Femtosekundenlaser mit einer minimalen Pulsenergie (&lt;10 &amp; mgr; J). Übersetzen Y-Bühne die Nanofaser mit dem Femtosekunden-Laserstrahl überlappen. Die Überlappung wird durch die Beleuchtung der Nanofaser, obs identifiziertenerved auf der CCD-Kamera. HINWEIS: Die Nanofaser wird nun mit Bezug auf die Femtosekunden-Laserstrahls entlang Y und Z-Achse ausgerichtet. </li><li> Um die Nanofaser entlang der X-Achse, zu übersetzen, die X-Phase zu überlappen die Nanofaserposition in die Ablation Linie markierten Position auf der CCD-Kamera auszurichten. </li><li> Übersetzen Sie die Y-Stufe, die Überlappung von Nanofaser mit dem Femtosekundenlaser zu maximieren. Beachten Sie die Reflexion der beiden ersten Aufträge aus der Nanofaser (erscheint als zwei helle Flecken auf der Glasplatte der oberen Abdeckung). Beachten Sie die Bewegung dieser Reflexionsflecken, während die Y-Bühne hin und her übersetzen. HINWEIS: Wenn diese Punkte zu einer Seite bewegen, dann nicht Nanofaser ist mit der Ablationslinie parallel. In diesem Fall dreht die Rotationsstufe die Nanofaser parallel zur Ablationslinie zu machen. Wenn sie parallel sind, werden die Reflexionsflecken als ein Blitz erscheinen. </li><li> Nachdem auf die Ablationslinie die Nanofaser parallel, zu übersetzen, die Y-Stufe die zu maximierenÜberlappung zwischen dem Femtosekundenlaserstrahl und Nanofaser, durch die Kraft des Femtosekundenlasermess in die Nanofaser geführten Moden gestreut eine Photodiode am Ende der konischen Faser verwendet. Nach Maximieren der Überlappung drehen dem Winkel Herstellungs θ = 0,5 ° die Rotationsstufe. HINWEIS: Für eine maximale Überlappung zwischen dem Femtosekunden-Laserstrahls und Nanofaser, würde man die Leistung des Femtosekunden-Laserlicht in die Nanofaser geführten Moden verstreut erwarten maximiert werden. </li><li> Blockieren Sie den Femtosekundenlaser mit Leistungsmesser und stellen Sie die Pulsenergie auf 0,27 mJ. Ändern Sie die Femtosekundenlaser-Einstellungen auf die Single-Shot-Bestrahlung-Modus. HINWEIS: In diesem Modus wird nur ein einziger Impuls erzeugt wird, wenn der Feuerschalter betätigt wird, sonst gibt es keine Laserausgang. <ol><li> Entfernen Sie den Leistungsmesser aus dem Laserstrahlpfad und feuern einen einzigen Femtosekunden-Laserpuls. Damit ist das Herstellungsverfahren. </li></ol></li></ol></li><li> Fabricatiauf der Defekt induzierten PhC Hohlraum <ol><li> Überprüfen Sie die Ausrichtung der Einrichtung durch die Ablation auf einer Glasplatte zu beobachten, wie in Abschnitt 2.1 beschrieben. die Höhe für die stärkste Ablationslinie, legen Sie eine 0,5 mm Kupferdraht in der Mitte des Laserstrahls kurz vor der Phasenmaske Nach dem Auffinden. Der Kupferdraht sollte entlang der Y-Achse sein (senkrecht zur Ablation Linie). </li><li> Überprüfen Sie die Abtragungsmuster auf der Glasplatte, während die Position des Kupferdrahts entlang der Z-Achse zu verändern. Fixieren Sie die Position des Kupferdrahtes, wenn das Ablationsmusters in der Mitte der Ablationslinie eine einzige Lücke zeigt. </li><li> Nach der Ausrichtung, führen Sie die Femtosekunden-Laserherstellung auf der Nanofaser, das Verfahren im Abschnitt 2.2 ausführlich folgen. Für diese Fertigung, den Winkel der Herstellung = 0 ° bis &amp; thgr. </li></ol></li></ol> 3. Charakterisierung der hergestellten Proben <ol><li> Messung der optischen Eigenschaften <ol><li> Bereiten Sie die seTUP für die optischen Messungen , wie in 1b gezeigt. Starten Sie die Breitband-Lichtquelle in die sich verjüngende Faser und messen die Transmissions- und Reflexionsspektrum vor und nach der Herstellung des Spektrumanalysator. Nach der Herstellung, zeigt das Transmissionsspektrum ein Sperrband der Bragg-Resonanz der hergestellten Probe entspricht. </li><li> Drehen Sie die Paddel der Faser Inline Polarisator die Polarisation und nehmen die Spektren für zwei orthogonalen Polarisationen X-Pol und Y-pol zu wählen. HINWEIS: Für die X-Pol (Polarisation entlang der Nano Kratern) das Sperrband wird 21 blauverschoben sein ( in Richtung der kürzeren Wellenlängen) und die Streuung von der Nanofaser stärker sein wird . So wählen Sie die Polarisationen durch das Spektrum und die CCD-Kamera. </li><li> Für eine der Polarisationen, nehmen die Transmissionsspektren durch die Dehnung des sich verjüngenden Faser die PZT (gezeigt in Abbildung 1b) verwendet wird . Nehmen Sie die Spektren, die durch stretching die verjüngte Faser in Schritten von 2 &amp; mgr; m, bis die maximale Strecklänge von 20 um (begrenzt durch die PZT Abtastbereich). Beachten Sie, dass die Bragg-Resonanz-rot-verschoben wird (in Richtung der längeren Wellenlänge) durch die verjüngte Faser Stretching. Aus diesen Spektren, die Verschiebung der Resonanz Bragg Berechnung pro Einheit Strecklänge. </li><li> Für die Lösung der Resonatormoden und den absoluten Hohlraum Transmissionsmessung, verwenden Sie die abstimmbare Laserquelle CW. Starten des Lasers in die sich verjüngende Faser und überwacht die Übertragung eine Photodiode verwendet wird. </li><li> Stellen Sie die Laserwellenlänge auf die roten Seitenkante der Sperrbereich für die Y-pol und verwenden, um die Faser inline Polarisator die Übertragung zu minimieren. Auf diese Weise wird der X-Pol-Komponente unterdrückt und nur die Y-pol ausgewählt ist. Stellen Sie die Laserwellenlänge um weiter aus dem roten seitigen Bandkante und der Übertragung aufzeichnen, während Strecken der sich verjüngende Faser 0-20 &amp; mgr; m. <ol><li> Wiederholen Sie die Messung durch den Laser wavel Ändernength bis blau-Seite in Schritten von 0,3 nm bis die gesamte Sperrband bedeckt ist. Aus diesen Daten das gesamte Spektrum der Daten für die Resonanzverschiebung pro Einheit rekonstruieren mit Länge in Schritt 3.1.3 gemessen Stretching. HINWEIS: Für eine typische Probe, die Sperr (Resonanz Bragg) zusammen mit den Verschiebungen Modi Hohlraum von 2 nm durch die verjüngte Faser um 20 &amp; mgr; m Dehnung und der typischen freien Spektralbereich für die Hohlraummoden sind zwischen 0,05-0,5 nm. 4 Resonatormoden durch die sich verjüngende Faser Dehnung - für eine gegebene Wellenlänge des Eingangslaser kann man mindestens 3 messen. Der Frequenzabstand zwischen den Moden wird aus den Daten für die Resonanzverschiebung pro Längeneinheit in Schritt 3.1.3 gemessenen Dehnung abgeleitet. Wiederholen der Messung durch die Laserwellenlänge in Schritten von 0,3 nm ändert, mindestens 2 bis 3 aufeinanderfolgende Hohlraum-Modi werden in den aufeinanderfolgenden Messungen erneut gemessen. Man kann durch die Überlagerung der Sendedaten für die aufeinanderfolgenden Messungen während Matte das gesamte Spektrum zu rekonstruierenChing Position der Wieder gemessen Resonatormoden. </li></ol></li><li> Nun messen Sie das Spektrum für die andere Polarisation unter Verwendung von ähnlichen Verfahren wie in den Schritten 3.1.5 und 3.1.5.1 erwähnt. </li></ol></li><li> Abbilden der hergestellten Probe <ol><li> Legen Sie die hergestellte Probe auf einem 2 cm langen Metallplatte und befestigen Sie die beiden Enden der sich verjüngenden Faser an der Metallplatte UV-härtbaren Epoxid verwendet wird. Machen Sie die Bestrahlungsseite der Probe sicher, die Metallplatte zugewandt ist, so dass die Schattenseite abgebildet werden kann. </li><li> Verwenden, um die Pt-Beschichter zur Beschichtung der Probe für 30 s und eine Schicht aus Pt mit einer Dicke von etwa 10 nm abzuscheiden. Legen Sie die Probe in die SEM. Nehmen Sie die REM-Aufnahme der Probe bei jeder 0,1 mm über die gesamte Region hergestellt. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Der Linseneffekt der Nanofaser spielt eine wichtige Rolle in der Herstellungstechnik, wodurch Nano Kratern auf der Schattenfläche des Nanofaser (gezeigt in 2) zu schaffen. Der Linseneffekt der Nanofaser macht auch die Herstellungsverfahren robust keinen mechanischen Instabilitäten in der Querrichtung (Y-Achse). Außerdem wird durch Single-Shot - Bestrahlung, die Instabilitäten entlang der anderen Achsen wirken sich nicht auf die Herstellung als die Bestrahlungszeit nur 120 fs ist (dh Impulsbreit...

Starke Führung von Licht in nanophotonischer Geräte hat neue Grenzen in der optischen Wissenschaft eröffnet. Moderne nanofabrication Technologien haben es ermöglicht die Herstellung von 1-D und 2-D - Photonic - Kristall (PHC) Hohlräume für neue Perspektiven in Laser 1, 2 und Erfassen optische Schaltanwendungen 3. Darüber hinaus starke Wechselwirkung Licht-Materie in diesen PhC Hohlräume hat 4 neue Wege für die Quanteninformationswissenschaft eröffnet. Neben PhC Hohlräumen, Plasmonen Nanokavitäten haben auch viel versprechende Perspektiven 5 gezeigt , 6, 7. Allerdings ist eine solche Hohlräume faserbasierten Kommunikationsnetzwerk eine Schnittstelle bleibt eine Herausforderung. In den letzten Jahren verjüngte optische Einmodenfaser mit Subwellenlängen Durchmesser als optische Nanofasern bekannt, hat sich als vielversprechende nanophotonischer Gerät entstanden. Aufgrund der starkenQuer Einschließung des Nanofaser geführten Bereich und die Fähigkeit , mit dem umgebenden Medium zu interagieren, wird die Nanofaser weitgehend angepasst und für verschiedene Anwendungen nanophotonischer 8 untersucht. Abgesehen davon ist es auch stark untersucht und für die Quanten Manipulation von Licht umgesetzt und 9 Materie. Effiziente Kopplung der Emission von Quantenemitter wie, Einzel- / wenige lasergekühlten Atomen und einzelnen Quantenpunkten, in die Nano geführten Moden wurde untersucht und gezeigt , 10, 11, 12, 13, 14, 15. Die Licht-Materie - Wechselwirkung auf Nanofaser kann signifikant durch Struktur PhC Hohlraum auf der 16 Nanofaser verbessert werden, 17. Der entscheidende Vorteil für such ein System ist die Faser-in-line-Technologie, die mit dem Kommunikationsnetz ohne weiteres integriert werden kann. Lichtdurchlässigkeit von 99,95% durch die sich verjüngende Nanofaser wurde 18 gezeigt. Jedoch ist die Nanofaserübertragungs extrem anfällig gegenüber Staub und Verschmutzung. Daher wird die Herstellung von PhC Struktur auf Nano herkömmlichen Nanofabrikationstechnik ist nicht sehr fruchtbar. Obwohl Hohlraum Fertigung auf Nano Focused Ion Beam (FIB) Fräsen hat 19 gezeigt worden, 20, ist die optische Qualität und Reproduzierbarkeit nicht so hoch. In diesem Video - Protokoll präsentieren wir eine kürzlich 21 gezeigt, 22 Technik PhC Hohlräume auf Nanofaser mit Femtosekunden - Laser - Ablation herzustellen. Die Herstellungen werden durchgeführt, indem ein Zweistrahl-Interferenzmuster des Femtosekundenlasers auf der Nanofaser und IRRAD Schaffungiating einen einzigen Femtosekunden-Laserpuls. Der Linseneffekt der Nanofaser spielt eine wichtige Rolle bei der Realisierbarkeit derartiger Techniken, Ablation Kratern auf der Schattenfläche des Nanofaser zu schaffen. Für eine typische Probe, periodische Nano Kratern mit einer Periode von 350 nm und mit variierendem Durchmesser allmählich 50-250 nm über eine Länge von 1 mm auf einer Nanofaser mit einem Durchmesser hergestellt rund 450-550 nm. Solchen periodischen Nano Krater auf Nanofaser, wirken als ein 1-D PhC. Wir stellen ebenfalls ein Verfahren, das Profil des Nano Kraters Array zu steuern apodisierte und defektinduzierten PhC Hohlräume auf der Nanofaser herzustellen. Ein wesentlicher Aspekt solcher nanofabrication ist die ganze optische Verarbeitung, so dass eine hohe optische Qualität beibehalten werden kann. Darüber hinaus ist die Fertigung durch die Bestrahlung mit einem einzigen Femtosekundenlaserpulses, so dass die Technik immun gegen mechanische Instabilitäten und andere Herstellungsunvollkommenheiten getan. Auch dies ermöglicht Inhouse-Produktion von PhC nanoFaserhohlraum so, dass die Wahrscheinlichkeit der Kontamination minimiert werden kann. Dieses Protokoll soll andere implementieren und passen diese neue Art von Nanofabrikationstechnik zu helfen. Figur 1a zeigt die schematische Darstellung der Herstellungseinrichtung. Die Einzelheiten der Herstellungsaufbau und Ausrichtungsverfahren werden in 21 diskutiert, 22. Ein Femtosekundenlaser mit 400 nm Mittenwellenlänge und 120 fs Impulsbreite fällt auf eine Phasenmaske. Die Phasenmaske teilt den Femtosekunden-Laserstrahl in 0 und ± 1 Aufträge. Ein Strahlblock wird verwendet, um die 0-ter Ordnung Strahl zu blockieren. Die klappbaren Spiegeln die ± 1-Ordnungen an der Nanofaser Position symmetrisch rekombinieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die Steigung der Phasenmaske beträgt 700 nm, so dass das Interferenzmuster eine Steigung (Λ G) von 350 nm. Die zylindrische Linse fokussiert das Femtosekunden-Laserstrahl entlang der Nanofaser. Die Strahlgröße über (Y-Achse)und zusammen (Z-Achse) der Nanofaser beträgt 60 &amp; mgr; m und 5,6 mm, respectively. Die sich verjüngende Faser wird auf einem Halter montiert ist, ausgestattet mit Piezoaktors (PZT) für die Faser Dehnung. Eine obere Abdeckung mit Glasplatte wird verwendet, um die Nanofaser vor Staub zu schützen. Der Halter mit der sich verjüngenden Faser wird auf einer Fertigungs Bank mit Übersetzung (XYZ) und Rotation (θ) Stufen ausgestattet fixiert. Die θ-Stufe ermöglicht eine Drehung des Nanofaserprobe in der YZ-Ebene. Die X-Bühne kann steuern, auch die Neigungswinkel entlang XY- und XZ-Ebene. Eine CCD - Kamera ist in einem Abstand von 20 cm von der Nanofaser und in einem Winkel von 45 ° in der XY-Ebene angeordnet , um die Nanofaserlage zu überwachen. Alle Experimente werden in einem Reinraumkabine ausgestattet mit HEPA (High-Efficiency Particulate Arretieren) Filter durchgeführt, um staubfreien Bedingungen erreichen. Staubfreien Zustand ist wichtig, um die Übertragung der Nanofaser zu erhalten. Abbildung 1b zeigt die schematische Darstellung der optischen Messungen. Während der Herstellung werden die optischen Eigenschaften durch die Einführung eines Breitband (Wellenlängenbereich: 700-900 nm) kurz überwacht fasergekoppelte Lichtquelle in die sich verjüngende Faser und die Messung des Spektrums des gesendeten und dem reflektierten Licht hochauflösende Spektrumanalysator. Eine abstimmbare CW-Laserquelle wird verwendet, um richtig die Resonatormoden zu lösen und den absoluten Hohlraum Übertragung zu messen. Wir stellen das Protokoll für die Herstellung und Charakterisierung. Der Protokollabschnitt ist in drei Unterabschnitte, Nanofaservorbereitung, Femtosekundenlaser Herstellung und Charakterisierung der hergestellten Proben aufgeteilt.

<table><tbody><tr><td>Femtosekundenlaser</td><td>Coherent Inc.</td><td>Waage HE</td><td></td></tr><tr><td>Phasenmaske</td><td>Ibsen Photonics</td><td>Maßgeschneiderte</td><td></td></tr><tr><td>optische Nanofaser-Herstellungsausrüstung &nbsp;</td><td>Ishihara Sangyo</td><td>ONME</td><td></td></tr><tr><td>ADC-Karte</td><td>PicoTech</td><td>ADC-24</td><td></td></tr><tr><td>Singlemode-Faser</td><td>Fujikura</td><td>FutureGuide-SM</td><td></td></tr><tr><td>Breitbandquelle</td><td>NKT Photonics</td><td>SuperK EXTREME</td><td></td></tr><tr><td>CW Tunable</td><td>Laser Coherent Inc.</td><td>MBR-110</td><td></td></tr><tr><td>Spektrumanalysator (Transmissionsspektrum)</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>Nicolet 8700</td><td></td></tr><tr><td>Spektrumanalysator (Reflexionsspektrum)</td><td>Ocean Optics</td><td>QE65000</td><td></td></tr><tr><td>CCD-Kamera</td><td>Thorlabs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>Leistungsmesser</td><td>Thorlabs</td><td>D3MM</td><td></td></tr><tr><td>Pt-Coater</td><td>Vakuumgerät Inc.</td><td>MSP-1S</td><td></td></tr><tr><td>Rasterelektronenmikroskop</td><td>Keyence</td><td>VE-9800</td><td></td></tr><tr><td>UV-härtendes Epoxidharz</td><td>NTT-AT</td><td>AT8105</td><td></td></tr><tr><td>Fotodiode</td><td>ThorLabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Reinraumtuch</td><td>TExWipe</td><td>TX-404</td><td></td></tr><tr><td>Abstreifer für Faserbeschichtung</td><td>NTT-AT</td><td>Faserzange 250 &mu; M&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Deckglas</td><td>Matsunami Glass IND,LTD</td><td>NEO Mikro-Deckglas 0,12-0,17 mm&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PZT</td><td>NOLIAC</td><td>NAC 2011-H20</td><td></td></tr><tr><td>Zylinderförmiger Linsentisch</td><td>NewPort</td><td>M-481-A&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Y,Z inszeniert</td><td>Chuo Precision Industrial Co., LTD.</td><td>LD-149-C7</td><td></td></tr><tr><td>Rotationstisch</td><td>SIGMA KOKI</td><td>KSPB-1026MH</td><td></td></tr><tr><td>Z-Tisch(1), Z-Tisch(2)</td><td>NewPort</td><td>M-460P&nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

die herstellung von 1-d photonic kristallhöhle auf einer nanofaser mit femtosekunden-laser-induzierte ablation

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von 1-D Photonic-Kristall (PHC) Hohlräume auf Sublambdabereich Durchmesser verjüngte optische Fasern, optische Nanofasern, Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation unter Verwendung. Wir zeigen, dass Tausende von periodischen Nano Kratern auf einem optischen Nanofaser hergestellt werden, indem sie mit nur einem Femtosekunden-Laserpuls bestrahlt wird. Für eine typische Probe, periodische Nano Kratern mit einer Periode von 350 nm und mit variierendem Durchmesser allmählich 50-250 nm über eine Länge von 1 mm auf einer Nanofaser mit einem Durchmesser hergestellt rund 450-550 nm. Ein wichtiger Aspekt einer solchen nanofabrication ist, dass die Nanofaser selbst als eine zylindrische Linse und fokussiert den Femtosekundenlaserstrahl auf seiner Schattenfläche. Darüber hinaus macht die Single-Shot-Herstellung es immun gegen mechanische Instabilitäten und andere Herstellungs Unvollkommenheiten. Solche periodischen Nano Krater auf Nanofaser, wirken als 1-D PhC und stark und Breitband-Reflexion ermöglichen, während die hohe Übertragung aus dem Sperrbereich Aufrechterhaltung. Wir stellen ebenfalls ein Verfahren, das Profil des Nano Kraters Array zu steuern apodisierte und defektinduzierten PhC Hohlräume auf der Nanofaser herzustellen. Die starke Begrenzung des Feldes sowohl Quer- und Längs in den Nanobasis PhC Hohlräume und die effiziente Integration in die Glasfasernetze, öffnen Sie können neue Möglichkeiten für nanophotonischer Anwendungen und Quanteninformationswissenschaft.

Abbildung 2 zeigt die REM - Aufnahme eines typischen Segments der hergestellten Nanofaserprobe. Es zeigt, dass periodische Nano Krater auf der Schattenseite der Nanofaser gebildet werden, mit einer Periodizität von 350 nm entspricht, und auf das Interferenzmuster. Der Einschub zeigt die vergrößerte Ansicht der Probe. Die Form der Nano Kratern ist fast kreisförmig und der Durchmesser eines typischen Nano Kraters beträgt etwa 210 nm. <p class="jove_content" fo:keep-tog...

Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von 1-D photonischer Kristall Hohlräume auf Sublambdabereich Durchmesser Quarzfasern (optische Nanofasern) unter Verwendung von Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation.

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die optische Herstellung eines eindimensionalen photonischen Kristallresonators auf einer abgeschliffenen optischen Faser mit einer Taille mit unterwellenlängen Durchmesser zu demonstrieren. Der entscheidende Punkt unserer Methode liegt darin, tausende empirische Nanokavitäten oder eine Nanofaser herzustellen, aber meiner Meinung nach handelt es sich lediglich um einen einzelnen Laserabschnitt, und die erzeugte Nanostruktur wirkt letztendlich als eindimensionaler photonischer Kristallresonator, was neue Möglichkeiten für die Nanophotonik und die Quanteninformationstechnologie eröffnen könnte. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit besteht darin, dass die Nanofaser selbst als zylindrische Linse fungiert und den Laserstrahl auf ihrer Seitenfläche fokussiert.Außerdem macht die Unterscheidung bei der Herstellung sie immun gegen mechanische Instabilitäten oder andere Herstellungsfehler. Die Sprachaufnahme erfolgt in Zusammenarbeit mit Jameesh Keloth, einem Doktoranden aus meinem Labor. Die Nanofasern für die Herstellung werden mithilfe eines kommerziellen Geräts erzeugt.Die Faser wird mit einer Oxyhydrogenflamme aus dieser Düse erhitzt. Die Faser wird durch motorisierte Stufen gezogen, um einen konisch verjüngten Abschnitt zu erzeugen. Ein Computer überwacht die Transmission durch die Faser mithilfe von Eingaben eines Prüflasers und einer Photodiode.Die Nanofaser wird aus einem Stück Einmoden-Optikfaser mit einer Länge von etwa 210 Millimetern hergestellt. Für die Herstellung der Nanofaser sind weitere Geräte erforderlich. Zunächst benötigen Sie einen Faserbeschichtungs-Abstreifer, eine Methanolquelle und Reinraumtücher.Stellen Sie außerdem einen Vorrat an Aceton bereit, in den die Einmodenfaser eingetaucht werden kann. Um zu verhindern, dass sich Staub auf der Nanofaser ablagert, bereiten Sie sich darauf vor, diese schnell zu isolieren. Für dieses Experiment wird die Nanofaser mithilfe von UV-härtbarem Epoxidharz in dieser Nanofaserhalterung befestigt.Der Halter kann mit dem glasplattierten Deckel geschlossen werden. Beginnen Sie mit der Länge der Einmodenfaser und verwenden Sie den Faserumhüllungs-Abisolierer, um fünf Millimeter der Polymerummantelung von jedem Ende zu entfernen. Tauchen Sie ein Reinigungstuch für Reinräume in Methanol und reinigen Sie damit die Enden.Als Nächstes tauchen Sie die Faser zwischen den beiden Enden in das Acetonreservoir ein. Lassen Sie sie dort 10 bis 15 Minuten lang, bis die Faserummantelung abfällt. Sobald die Faserummantelung abgefallen ist, nehmen Sie die Faser aus dem Aceton heraus und reinigen Sie die gesamte Faser mit einem in Methanol getränkten Reinraumtuch.Bringen Sie die Faser für die nächsten Schritte an das kommerzielle Nanofasergeät. Diese Faser wird auf den motorisierten Antrieben befestigt und ist bereit, mit der Herstellung zu beginnen. Schließen Sie das Gerät und starten Sie den Sonde-Laser, um die Transmission zu überwachen.Verwenden Sie eine Software, um die Flamme zu zünden, die Parameter zu laden und die Herstellung zu starten. Nach Abschluss der Herstellung bringen Sie den Nanofaserhalter mit Epoxidharz zum Gerät. Befestigen Sie die Faser auf beiden Seiten der Taperung mit UV-härtbarem Epoxidharz.Wenn die Faser eingesetzt ist, decken Sie den Nanofaserhalter mit der oberen Abdeckung ab. Legen Sie die Probe in eine saubere Box, um sie zur Versuchsanordnung zu transportieren. Dies ist die Anordnung für die Femtosekundenlaser-Fertigung.Es befindet sich in einer Reinraumkabine mit HEPA-Filtern. Ein Laserstrahl tritt von oben durch eine zylindrische Linse ein. Der Nanofaserhalter wird auf einem Hubtisch für X-Y-Z-Translation und einem weiteren für Rotation platziert.Dieses Schema vermittelt eine anschaulichere Vorstellung der Apparatur. Laserlicht durchläuft eine zylindrische Linse. Anschließend gelangt es zu einer Phasenmaske mit einer Strichperiode von 700 Nanometern.Die Phasenmaske teilt den Strahl in die Nullordnung sowie die positiven und negativen Ordnungen erster Ordnung auf. Die Nullordnung wird blockiert, während die positiven und negativen Ordnungen erster Ordnung an Faltspiegeln reflektiert werden. Die symmetrisch angeordneten Spiegel führen zur Erzeugung eines Interferenzmusters an der Nanofaser in ihrer Halterung.Mithilfe einer Fotodiode kann das Licht in der Faser überwacht werden. Eine CCD-Kamera dient zur Überwachung der Nanofaserposition. Der Laserfertigungs-Aufbau muss justiert werden.Dies erfordert die Verwendung einer Glasplatte, die durch den Laser ablatiert werden kann. Stellen Sie die Glasplatte auf die Herstellungsbank. Stellen Sie mithilfe des Translationsstages die Höhe der Bank auf 15 Millimeter ein und bestrahlen Sie dann mit dem Laser fünf Sekunden lang die Glasoberfläche bei einer Impulsenergie von einem Millijoule.Verwenden Sie die CCD-Kamera, um die Platte zu beobachten und die laserinduzierte Ablation zu identifizieren. Ein beschädigter Strich ist auf dem Glas mit dem Ablationsmuster sichtbar. Verändern Sie die horizontale Position des Glases um einen Millimeter, um eine neue Ablation zu ermöglichen.Danach die Höhe der Glasoberfläche verändern, um die Stärke der Ablation an einer neuen Position zu testen. Die Glasplatte erneut fünf Sekunden lang mit einer Impulsenergie von einem Millijoule bestrahlen. Anschließend die Beschädigung der Glasplatte bewerten.Wie bei dieser Glasplatte geschehen, passen Sie die Glas Höhe an und ablatieren Sie einen neuen Bereich, bis die stärkste Ablationslinie identifiziert ist. Bei der dem stärksten Ablationsstrich zugeordneten Höhe des Stages, stellen Sie den Winkel der Spiegel und des Stages fein ein, um die Ablation weiter zu maximieren. Gehen Sie nach dieser Optimierung zur Software der CCD-Kamera.Verwenden Sie die Software, um die Position der Ablationslinie im Sichtfeld zu markieren. Entfernen Sie die Glasplatte, um die periodische Struktur der Ablation zu überprüfen. Verwenden Sie ein Rasterelektronenmikroskop, um das Muster abzubilden.Das Muster sollte eine periodische Struktur mit einer Periode von 350 Nanometern aufweisen. Falls dies nicht der Fall ist, wiederholen Sie die Ausrichtungsschritte. Beginnen Sie an der justierten Herstellungseinrichtung.Halten Sie eine ordnungsgemäß hergestellte abgeschrägte Faser in ihrer Halterung bereit. Bringen Sie die Faserhalterung an und koppeln Sie die Faser an einen Probelasers. Um richtig ausgerichtet zu sein, sollte die Faser annähernd parallel zur im CCD-Software markierten Ablationslinie verlaufen.Fahren Sie fort, indem Sie einen Sonde-Laser durch die abgesetzte Faser schicken und mit der CCD-Kamera die Streuung beobachten. Verwenden Sie die Translationsstufe, um die Faser entlang ihrer Länge zu bewegen und sie auf der Ablationslinie zu zentrieren. Verwenden Sie nun den Femtosekundenlaser mit der minimalen Pulsenergie.Verschieben Sie die Faser in der horizontalen Ebene, sodass sie mit dem Femtosekundenlaserstrahl überlappt. Verschieben Sie anschließend die Faser in der vertikalen Ebene, um ihre Position mit der Ablationslinie zur Deckung zu bringen. Verschieben Sie erneut in der horizontalen Ebene, um die Überlappung mit dem Femtosekundenlaser zu maximieren.Während des Hin- und Herbewegens des Stages beobachten Sie das Glas auf der oberen Abdeckung des Fasermontageelements auf die Reflexionen erster und zweiter Ordnung aus der Faser. Wenn sich die hellen Punkte entlang einer Linie bewegen, ist die Nanofaser nicht parallel zur Ablationslinie, und der Drehstage muss gedreht werden. Erscheinen die Punkte in einem Blitz, bedeutet dies, dass die Nanofaser parallel zur Ablationslinie ausgerichtet ist und der Drehstage nicht justiert werden muss.Wenn die Nanofaser parallel zur Ablationslinie steht, schalten Sie den Probelaser aus und messen Sie die durch die Faser tretende Leistung mit dem Photodetektor. Verwenden Sie den Translationsstadium, um die Faser in der horizontalen Ebene auszurichten. Ziel der Justierung ist es, die gemessene Streuleistung des Femtosekundenlasers zu maximieren.Wenn fertig, verwenden Sie den Rotationstisch, um die Faser auf den Drehwinkel zu drehen. Nehmen Sie anschließend das Leistungsmessgerät und verwenden Sie es, um den Femtosekundenlaserstrahl zu blockieren. Stellen Sie die Impulsenergie so ein, dass das Messgerät null Komma siebenundzwanzig Millijoule anzeigt.Ändern Sie die Einstellung des Femtosekundenlasers auf Einzelschuss, bevor Sie das Messgerät aus dem Laserstrahl entfernen. Schließen Sie die Herstellung ab, indem Sie einen einzelnen Femtosekundenlaserimpuls abfeuern. Beginnen Sie die Herstellung mit einer ausgerichteten Versuchsanordnung.Stellen Sie außerdem sicher, dass ein Draht oberhalb der zylindrischen Linse gehalten wird. Dieser 0,5 mm dicke Kupferdraht wird von einer Halterung getragen, die auf einer Translationsstufe montiert ist, um den Draht im Laserstrahl positionieren zu können.Stellen Sie sicher, dass die Höhe der Glasplatte so eingestellt ist, dass sich diese auf der Höhe der stärksten Ablationslinie befindet. Bringen Sie dann den Draht in der Mitte des Laserstrahls und senkrecht zur Ablationslinie an. Beobachten Sie den Schatten des Drahtes und versuchen Sie, ihn in der Mitte des Ablationsmusters zu positionieren.Verwenden Sie als Nächstes einen Femtosekunden-Laserpuls, um ein Ablationsmuster auf der Glasplatte zu erzeugen. Überprüfen Sie das Ablationsmuster auf der Glasplatte daraufhin, ob der Draht in der Mitte eine Lücke erzeugt. Falls nicht, positionieren Sie den Kupferdraht mittig aus und ablieren Sie einen neuen Bereich der Glasplatte.Wiederholen Sie dies, bis sich die Lücke in der Mitte des Ablationsmusters befindet. Bevor Sie fortfahren, fixieren Sie den Draht, indem Sie die Translationsstufe verriegeln. Entfernen Sie anschließend die Glasplatte von der Herstellungsplattform.Nehmen Sie den Fasermontagehalter mit der daran befestigten Faser und installieren Sie ihn in der Fertigungsanlage. Hier ist der Halter positioniert und die Faser ist mit einem Prüflaser gekoppelt. Schicken Sie einen Laserimpuls durch die Faser.Es sollte annähernd parallel zur Ablationslinie liegen, die in der CCD-Software erfasst wurde. Verschieben Sie den Probenträger entlang der Faserlänge, um die Nanofaser vor dem Abschalten der Sonde mittig auf der Ablationslinie zu positionieren. Schalten Sie den Femtosekunden-Puls ein und verschieben Sie die Faser in der horizontalen Ebene senkrecht zur Faserlänge, um eine maximale Überlappung der Faser mit dem Femtosekunden-Laserpuls zu erreichen.Überprüfen Sie dies, indem Sie die Leistung des gestreuten Lichts mit der Photodiode messen. Nach der Maximierung der Überlappung stellen Sie den Herstellungswinkel ein. Verwenden Sie nun das Leistungsmessgerät, um den Femtosekundenlaser zu blockieren.Danach die Pulsenergie so einstellen, dass sie 0,27 Millijoule beträgt, und die Einstellung des Femtosekundenlasers auf Einzelpuls wechseln. Den Leistungsmesser aus dem Laserstrahl entfernen und einen einzelnen Femtosekundenlaserpuls abfeuern, um die Herstellung abzuschließen. Dieses Rasterelektronenmikroskopbild zeigt ein typisches Segment einer hergestellten Nanofaserprobe.Die Nanokrater bilden sich auf der Schattenseite der Faser. Die Nanokrater sind nahezu kreisförmig mit einem Durchmesser von etwa 210 Nanometern. In dieser Probe beträgt die Periodizität 350 Nanometer.Das Transmissionspektrum aus dem apodisierten protonischen Kristallkavit&auml;t bezieht sich auf Licht, das senkrecht zu den Nanokraterfl&auml;chen polarisiert ist. Das Spektrum zeigt einen Sperrbandbereich von etwa 794 bis 799 Nanometern, in dem die Transmission nur wenige Prozent betr&auml;gt. Vergleichen Sie dies mit dem Transmissionspektrum von Licht, das parallel zu den Nanokraterfl&auml;chen polarisiert ist.Es weist ebenfalls ein Sperrband auf, jedoch bei längeren Wellenlängen von etwa 796 bis 803 Nanometern. Beide Spektren weisen Peaks auf, die den Hohlraummoden entsprechen. Die Transmissionspektren derselben Polarisationsmoden in den durch den Defekt induzierten photonischen Kristallhohlräumen zeigen ein ähnliches Verhalten.In diesen F&auml;llen befinden sich die Hohlraummoden auf beiden Seiten des Sperrbands. Beachten Sie, dass der Abstand der Hohlraummoden bei k&uuml;rzeren Wellenl&auml;ngen deutlich gr&ouml;&szlig;er ist als bei l&auml;ngeren Wellenl&auml;ngen. Diese optische Herstellungsmethode in einem einzigen Schritt ist unempfindlich gegen mechanische Instabilit&auml;ten, was die Qualit&auml;t der Kategorie sicherstellt, und diese Herstellungstechnik kann zur Herstellung verschiedener nanophotonischer Bauelemente aus Nanofasern eingesetzt und an andere Nanofabrikationsverfahren angepasst werden.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

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