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

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.

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die optische Herstellung eines eindimensionalen photonischen Kristallresonators auf einer konischen optischen Faser mit einem Abfall im Subwellenlängenbereich zu demonstrieren. Der Kernpunkt unserer Methode ist die Herstellung von Tausenden von empirischen Nanoschöpfern oder einer Nanofaser, aber ich denke, es ist nur ein einzelnes Laserteil, und die erzeugte Nanostruktur wirkt schließlich als eindimensionaler photonischer Kristallhohlraum, der neue Möglichkeiten für die Nanophotonik und die Quanteninformationswissenschaft eröffnen könnte. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit ist, dass die Nanofaser selbst als zylindrische Linse fungiert und den Laserstrahl auf ihre Seitenfläche fokussiert.

Darüber hinaus macht die Unterscheidung der Fertigung sie immun gegen mechanische Instabilitäten oder andere Fertigungsfehler. Das Stimmlesen ist ein Verfahren mit Jameesh Keloth, einem Doktoranden aus meinem Labor. Die Nanofasern für die Herstellung werden mit einer kommerziellen Anlage hergestellt.

Aus dieser Düse wird die Faser mit einer Oxowasserstoffflamme erhitzt. Die Faser wird durch motorisierte Tische gezogen, um einen konischen Abschnitt zu erzeugen. Ein Computer überwacht die Übertragung durch die Faser anhand von Eingaben eines Sondenlasers und einer Fotodiode.

Die Nanofaser wird aus einer etwa 210 Millimeter langen Singlemode-optimalen Faser hergestellt. Für die Herstellung der Nanofaser sind andere Geräte erforderlich. Für den Anfang sollten Sie einen Abbeizer für die Faserbeschichtung, eine Methanolquelle und Reinraumtücher haben.

Haben Sie auch ein Reservoir an Aceton, in das die Singlemode-Faser eingetaucht werden kann. Um zu verhindern, dass sich Staub auf der Nanofaser ansammelt, sollten Sie darauf vorbereitet sein, ihn schnell zu isolieren. Für dieses Experiment wird die Nanofaser unter Verwendung von UV-härtendem Epoxidharz in diesen Nanofaserhalter montiert.

Die Halterung kann mit der glasbeschichteten oberen Abdeckung verschlossen werden. Beginnen Sie mit der Länge der Singlemode-Faser und entfernen Sie mit dem Abisolierer der Faserbeschichtung fünf Millimeter des Polymermantels von jedem Ende. Tauchen Sie ein Reinraumtuch in Methanol und reinigen Sie damit die Enden.

Tauchen Sie als Nächstes die Faser zwischen den beiden Enden in das Acetonreservoir. Bewahren Sie es dort 10 bis 15 Minuten auf, bis der Fasermantel abfällt. Wenn der Fasermantel abgefallen ist, entfernen Sie die Faser aus dem Aceton und reinigen Sie die gesamte Faser mit einem in Methanol getauchten Reinraumtuch.

Für die nächsten Schritte bringen Sie die Faser zum kommerziellen Nanofasergerät. Diese Faser wird auf die motorisierten Antriebe montiert und ist bereit für den Beginn der Fertigung. Schließen Sie das Gerät und starten Sie den Sondenlaser, um die Übertragung zu überwachen.

Verwenden Sie Software, um die Flamme zu entzünden, die Parameter zu laden und mit der Fertigung zu beginnen. Nachdem die Herstellung abgeschlossen ist, bringen Sie den Nanofaserhalter mit Epoxidharz zum Gerät. Befestigen Sie die Faser auf beiden Seiten des Tapers mit UV-härtendem Epoxidharz.

Sobald die Faser an Ort und Stelle ist, decken Sie den Nanofaserhalter mit der oberen Abdeckung ab. Legen Sie die Probe in eine saubere Box, um sie in den Experimentaufbau zu übertragen. Dies ist der Aufbau für die Herstellung von Femtosekundenlasern.

Es befindet sich in einer sauberen Kabine mit Hepa-Filtern. Ein Laserstrahl tritt von oben in eine zylindrische Linse ein. Der Nanofaserhalter sitzt auf einem Tisch für die X-Y-Z-Translation und einem für die Rotation.

Dieses Schema gibt eine klarere Vorstellung von der Apparatur. Das Laserlicht dringt durch eine zylindrische Linse. Anschließend erreicht sie eine Phasenmaske mit einem Abstand von 700 Nanometern.

Die Phasenmaske teilt den Strahl in Null-, Plus- und Minus-Ordnungen auf. Die Nullordnung ist blockiert, aber die Plus-Minus-Eins-Ordnungen werden von Klappspiegeln reflektiert. Die symmetrisch angeordneten Spiegel führen zur Erzeugung eines Interferenzmusters an der Nanofaser in ihrer Halterung.

Eine Fotodiode ermöglicht die Überwachung des Lichts in der Faser. Eine CCD-Kamera wird verwendet, um die Position der Nanofaser zu überwachen. Die Einrichtung der Laserfertigung muss aufeinander abgestimmt sein.

Dazu ist die Verwendung einer Glasplatte erforderlich, die mit dem Laser abgetragen werden kann. Legen Sie die Glasplatte auf die Fertigungsbank. Stellen Sie mit dem Translationstisch die Höhe der Bank auf 15 Millimeter ein und bestrahlen Sie dann mit dem Laser das Glas fünf Sekunden lang mit einer Pulsenergie von einem Millijoule.

Verwenden Sie die CCD-Kamera, um die Platte zu beobachten und die laserinduzierte Ablation zu identifizieren. Auf dem Glas ist eine beschädigte Linie mit dem Ablationsmuster zu sehen. Ändern Sie die horizontale Position des Glases um einen Millimeter, um einen erneuten Abtrag zu ermöglichen.

Ändern Sie danach die Höhe der Glasoberfläche, um die Festigkeit der Ablation in einer neuen Position zu testen. Bestrahlen Sie die Glasplatte erneut fünf Sekunden lang mit einer Pulsenergie von einem Millijoule. Beurteilen Sie dann die Beschädigung der Glasplatte.

Wie bei dieser Glasplatte wird die Glashöhe angepasst und ein neuer Bereich abgetragen, bis die stärkste Ablationslinie identifiziert ist. Wenn sich der Tisch auf der Höhe befindet, die der stärksten Ablationslinie zugeordnet ist, passen Sie den Winkel der Spiegel an und inszenieren Sie, um die Ablation weiter zu maximieren. Gehen Sie nach dieser Optimierung in die Software für die CCD-Kamera.

Markieren Sie mit der Software die Position der Ablationslinie im Sichtfeld. Entfernen Sie die Glasplatte, um die periodische Struktur der Ablation zu testen. Um das Muster abzubilden, verwenden Sie ein Rasterelektronenmikroskop.

Das Muster sollte eine periodische Struktur mit einer Periode von 350 Nanometern aufweisen. Ist dies nicht der Fall, wiederholen Sie die Ausrichtungsschritte. Beginnen Sie an der ausgerichteten Fertigungsbank.

Halten Sie eine ordnungsgemäß gefertigte konische Faser in ihrem Halter bereit. Montieren Sie den Faserhalter und koppeln Sie die Faser an einen Sondenlaser. Um richtig ausgerichtet zu sein, sollte die Faser ungefähr parallel zu der in der CCD-Software markierten Ablationslinie sein.

Fahren Sie fort, indem Sie einen Sondenlaser durch die konische Faser schicken und die CCD-Kamera verwenden, um die Streuung zu beobachten. Verwenden Sie den Translationstisch, um die Faser entlang ihrer Länge zu verschieben und auf der Ablationslinie zu zentrieren. Verwenden Sie nun den Femtosekundenlaser mit der minimalen Pulsenergie.

Verschieben Sie die Faser in der horizontalen Ebene so, dass sie sich mit dem Femtosekunden-Laserstrahl überlappt. Verschieben Sie dann die Faser in der vertikalen Ebene, um ihre Position mit der Ablationslinie zu überlappen. Verschieben Sie auch hier in der horizontalen Ebene, um die Überlappung mit dem Femtosekundenlaser zu maximieren.

Während Sie die Bühne hin und her verschieben, beobachten Sie das Glas auf der oberen Abdeckung des Faserhalters auf die Reflexionen der ersten beiden Ordnung von der Faser. Bewegen sich die hellen Flecken entlang der Linie, ist die Nanofaser nicht parallel zur Ablationslinie und der Rotationstisch muss gedreht werden. Wenn die Flecken blitzartig auftreten, deutet dies darauf hin, dass die Nanofaser parallel zur Ablationslinie verläuft und der Rotationstisch nicht angepasst werden muss.

Wenn sich die Nanofaser parallel zur Ablationslinie befindet, schalten Sie den Sondenlaser aus und messen Sie die Leistung durch die Faser mit der Fotodiode. Verwenden Sie die Verschiebungsstufe, um die Faser in der horizontalen Ebene anzupassen. Ziel der Anpassungen ist es, die gemessene Leistung, die vom Femtosekundenlaser gestreut wird, zu maximieren.

Wenn Sie fertig sind, verwenden Sie den Rotationstisch, um die Faser in den Drehwinkel zu drehen. Nehmen Sie als Nächstes den Leistungsmesser und verwenden Sie ihn, um den Femtosekunden-Laserstrahl zu blockieren. Stellen Sie die Impulsenergie so ein, dass das Messgerät null Punkt zwei sieben Millijoule anzeigt.

Ändern Sie die Femtosekunden-Lasereinstellung auf Einzelschuss, bevor Sie das Messgerät aus dem Laserweg entfernen. Schließen Sie die Herstellung ab, indem Sie einen einzelnen Femtosekunden-Laserpuls abfeuern. Beginnen Sie die Fertigung mit einer ausgerichteten Einrichtung.

Sie außerdem dafür, dass ein Draht über der Zylinderlinse abgestützt wird. Dieser Nullpunkt-Kupferdraht aus fünf Millimetern wird von einem Pfosten getragen. Der Pfosten ist auf einem Translationstisch montiert, um die Positionierung des Drahtes im Laserstrahl zu ermöglichen.

Stellen Sie sicher, dass Sie die Höhe der Glasplatte so einstellen, dass die stärkste Ablationslinie gefunden wurde. Führen Sie dann den Draht in der Mitte des Laserstrahls und senkrecht zur Ablationslinie ein. Beobachten Sie den Schatten des Drahtes und versuchen Sie, ihn in der Mitte des Ablationsmusters zu positionieren.

Verwenden Sie anschließend einen Femtosekunden-Laserpuls, um ein Ablationsmuster auf der Glasplatte zu erzeugen. Überprüfen Sie das Ablationsmuster auf der Glasplatte, um festzustellen, ob der Draht in seiner Mitte einen Spalt erzeugt. Wenn nicht, bewegen Sie den Kupferdraht in die Mitte und tragen Sie einen neuen Abschnitt der Glasplatte ab.

Wiederholen Sie den Vorgang, bis sich die Lücke in der Mitte des Ablationsmusters befindet. Bevor Sie fortfahren, fixieren Sie den Draht, indem Sie den Verschiebetisch verriegeln. Entfernen Sie dann die Glasplatte von der Fertigungsplattform.

Holen Sie sich den Faserhalter mit seiner montierten Faser und installieren Sie ihn in der Fertigungseinrichtung. Hier wird die Halterung an Ort und Stelle gesetzt und die Faser mit einem Sondenlaser gekoppelt. Senden Sie einen Sondenlaserpuls durch die Faser.

Sie sollte ungefähr parallel zu der in der CCD-Software aufgezeichneten Ablationslinie verlaufen. Verschieben Sie den Tisch entlang der Faserlänge, um die Nanfiber auf der Ablationsleitung zu zentrieren, bevor Sie die Sonde ausschalten. Schalten Sie den Femtosekundenpuls ein und verschieben Sie die Faser in der horizontalen Ebene senkrecht zu ihrer Länge, mit dem Ziel, die Überlappung der Faser mit dem Femtosekunden-Laserpuls zu maximieren.

Überprüfen Sie, indem Sie die Leistung des Streulichts mit der Fotodiode messen. Nachdem Sie die Überlappung maximiert haben, legen Sie den Fertigungswinkel fest. Verwenden Sie nun den Leistungsmesser, um den Femtosekundenlaser zu blockieren.

Stellen Sie dann die Pulsenergie so ein, dass sie null Punkt zwei sieben Millijoule beträgt, und ändern Sie die Femtosekunden-Lasereinstellung auf Einzelschuss. Entfernen Sie den Leistungsmesser aus dem Laserpfad und feuern Sie einen einzelnen Femtosekunden-Laserpuls ab, um die Herstellung abzuschließen. Dieses Rasterelektronenmikroskop-Bild zeigt ein typisches Segment einer hergestellten Nanofaserprobe.

Die Nanokrater bilden sich auf der Schattenseite der Faser. Die Nanokrater sind mit einem Durchmesser von rund 210 Nanometern fast kreisförmig. In dieser Probe beträgt die Periodizität 350 Nanometer.

Dieses Transmissionsspektrum aus dem apodisierten protonischen Kristallhohlraum ist für senkrecht zu den Nanokraterflächen polarisiertes Licht. Das Spektrum zeigt einen Stoppbandbereich von etwa 794 bis 799 Nanometern, in dem die Transmission nur wenige Prozent beträgt. Vergleichen Sie dies mit dem Transmissionsspektrum von Licht, das parallel zu den Nanokraterflächen polarisiert ist.

Es hat ebenfalls ein Stoppband, jedoch bei längeren Wellenlängen von etwa 796 bis 803 Nanometern. Beide Spektren haben Peaks, die den Resonatormoden entsprechen. Die Transmissionsspektren aus den gleichen Polarisationsmoden in den defektinduzierten photonischen Kristallresonatoren zeigen ein ähnliches Verhalten.

In diesen Fällen befinden sich die Resonatormoden auf beiden Seiten des Stoppbandes. Beachten Sie, dass der Kavitätenmodenabstand bei kürzeren Wellenlängen viel größer ist als bei größeren Wellenlängen. Dieses Single-Shot-Optikherstellungsverfahren ist immun gegen mechanische Instabilitäten, die die Höhe der Kategorie gewährleisten, und diese Herstellungstechnik kann zur Herstellung verschiedener nanophotonischer Bauelemente aus Nanofasern implementiert werden und kann an andere Nanofabrikationsprozesse angepasst werden.