La fabricación de 1-D de cristal fotónico cavidad en un nanofibras Uso de ablación inducida por láser de femtosegundo

Se presenta un protocolo para la fabricación de cavidades de cristal fotónico 1-D en fibras de sílice de diámetro sublongitud de onda (nanofibras ópticas) utilizando femtosegundo ablación inducida por láser.

El objetivo general de este procedimiento es demostrar la fabricación óptica de una cavidad de cristal fotónico unidimensional en una fibra óptica cónica con un residuo de diámetro inferior a la longitud de onda. El punto clave de nuestro método es fabricar miles de nanocreadores empíricos, o una nanofibra, pero creo que es solo una sola pieza láser y la nanoestructura creada eventualmente actúa como una cavidad de cristal fotónico unidimensional, lo que puede abrir nuevas posibilidades para la nanofotónica y la ciencia de la información cuántica. Un aspecto esencial de este trabajo es que la propia nanofibra actúa como una lente cilíndrica y enfoca el rayo láser en su superficie lateral.

Además, distinguir la fabricación la hace inmune a cualquier inestabilidad mecánica o cualquier otra imperfección de fabricación. La lectura de voz es un procedimiento con Jameesh Keloth, un estudiante graduado de mi laboratorio. Las nanofibras para la fabricación se producirán utilizando un dispositivo comercial.

La fibra se calienta con una llama de oxohidrógeno desde esta boquilla. La fibra se estira mediante etapas motorizadas para producir una sección cónica. Una computadora monitorea la transmisión a través de la fibra utilizando la entrada de una sonda, láser y fotodiodo.

La nanofibra estará hecha de una longitud de fibra óptima monomodo, de unos 210 milímetros de largo. La producción de la nanofibra requerirá otros equipos. Para empezar, tenga un decapante de recubrimiento de fibra, una fuente de metanol y toallitas para salas limpias.

Además, disponen de un depósito de acetona en el que se puede sumergir la fibra monomodo. Para evitar que el polvo se acumule en la nanofibra, prepárese para aislarla rápidamente. Para este experimento, la nanofibra se montará en este soporte de nanofibras utilizando epoxi curable UV.

El soporte se puede cerrar con la cubierta superior chapada en vidrio. Comience con la longitud de la fibra monomodo y use el separador de recubrimiento de fibra para quitar cinco milímetros de la cubierta de polímero de cada extremo. Sumerja una toallita de habitación limpia en metanol y úsela para limpiar las puntas.

A continuación, sumerja la fibra entre los dos extremos en el depósito de acetona. Manténgalo allí durante 10 a 15 minutos hasta que la cubierta de fibra se caiga. Cuando la cubierta de fibra se haya caído, retire la fibra de la acetona y limpie toda la fibra con una toallita de sala limpia humedecida en metanol.

Para los siguientes pasos, lleve la fibra al dispositivo comercial de nanofibra. Esta fibra se monta en las unidades motorizadas y está lista para que comience la fabricación. Cierre el dispositivo y encienda el láser de la sonda para monitorear la transmisión.

Utilice el software para encender la llama, cargar los parámetros e iniciar la fabricación. Una vez completada la fabricación, lleve el soporte de nanofibras con epoxi al dispositivo. Asegure la fibra a cada lado del cono con epoxi curable por UV.

Una vez que la fibra esté en su lugar, cubra el soporte de nanofibras con la cubierta superior. Coloque la muestra en una caja limpia para transferirla a la configuración del experimento. Esta es la configuración para la fabricación de láser de femtosegundo.

Está dentro de una cabina limpia con filtros hepa. Un rayo láser entra desde arriba de una lente cilíndrica. El soporte de nanofibras se colocará en la parte superior de una etapa para la traslación X, Y, Z y otra para la rotación.

Este esquema proporciona una idea más clara del aparato. La luz láser pasa a través de una lente cilíndrica. A continuación, alcanza una máscara de fase con un paso de 700 nanómetros.

La máscara de fase divide el haz en cero, más y menos uno. El orden cero está bloqueado, pero los órdenes más menos uno se reflejan en los espejos plegables. Los espejos colocados simétricamente conducen a la creación de un patrón de interferencia en la nanofibra en su soporte.

Un fotodiodo permite el monitoreo de la luz en la fibra. Se utiliza una cámara CCD para monitorear la posición de la nanofibra. La configuración de fabricación láser debe estar alineada.

Esto requiere el uso de una placa de vidrio que puede ser ablacionada por el láser. Coloque la placa de vidrio en el banco de fabricación. Con la etapa de traducción, ajuste la altura del banco a 15 milímetros y luego use el láser para radiar el vidrio durante cinco segundos a una energía de pulso de un milijulio.

Utilice la cámara CCD para observar la placa e identificar la ablación inducida por láser. Se puede ver una línea dañada en el vidrio con el patrón de ablación. Cambie la posición horizontal del vidrio en un milímetro para permitir una nueva ablación.

Después de eso, cambie la altura de la superficie del vidrio para probar la fuerza de la ablación en una nueva posición. Vuelva a irradiar la placa de vidrio durante cinco segundos con una energía de pulso de un mili julio. Luego, evalúe el daño de la placa de vidrio.

Al igual que ha sucedido con esta placa de vidrio, ajuste la altura del vidrio y ablague una nueva región hasta que se identifique la línea de ablación más fuerte. Con la platina a la altura asociada con la línea de ablación más fuerte, ajuste el ángulo de los espejos y la etapa maximice aún más la ablación. Después de esta optimización, vaya al software de la cámara CCD.

Utilice el software para marcar la posición de la línea de ablación en el campo de visión. Retire la placa de vidrio para probar la estructura periódica de la ablación. Para obtener imágenes del patrón, utilice un microscopio electrónico de barrido.

El patrón debe mostrar una estructura periódica con un período de 350 nanómetros. Si no es así, repita los pasos de alineación. Comience en el banco de fabricación alineado.

Tenga a mano una fibra cónica debidamente fabricada en su soporte. Monte el soporte de fibra y acople la fibra a un láser de sonda. Para estar correctamente alineada, la fibra debe estar aproximadamente paralela a la línea de ablación marcada en el software CCD.

Continúe enviando un láser de sonda a través de la fibra cónica y usando la cámara CCD para observar la dispersión. Utilice la etapa de traslación para mover la fibra a lo largo de su longitud y centrarla en la línea de ablación. Ahora, use el láser de femtosegundo con la mínima energía de pulso.

Transfiera la fibra en el plano horizontal para que se superponga con el rayo láser de femtosegundo. A continuación, traslade la fibra en el plano vertical para superponer su posición con la línea de ablación. De nuevo, traslade en el plano horizontal para maximizar la superposición con el láser de femtosegundo.

Mientras traslada la etapa de un lado a otro, observe el vidrio en la cubierta superior del soporte de fibra para ver los dos primeros reflejos de orden de la fibra. Si los puntos brillantes se mueven a lo largo de la línea, la nanofibra no es paralela a la línea de ablación y la etapa de rotación debe rotarse. Si las manchas aparecen en un parpadeo, esto indica que la nanofibra es paralela a la línea de ablación y que la etapa de rotación no necesita ajuste.

Cuando la nanofibra esté paralela a la línea de ablación, apague el láser de sonda y mida la potencia a través de la fibra con el fotodiodo. Utilice la etapa de traslación para ajustar la fibra en el plano horizontal. El objetivo de los ajustes es maximizar la potencia medida dispersada por el láser de femtosegundo.

Cuando haya terminado, use la etapa de rotación para rotar la fibra al ángulo de rotación. A continuación, tome el medidor de potencia y utilícelo para bloquear el rayo láser de femtosegundo. Ajuste la energía del pulso para que el medidor marque cero coma dos siete milijulios.

Cambie la configuración del láser de femtosegundo a un solo disparo antes de quitar el medidor de la trayectoria del láser. Complete la fabricación disparando un solo pulso láser de femtosegundo. Comience la fabricación con una configuración alineada.

Además, coloque un cable sobre la lente cilíndrica. Este cable de cobre de cinco milímetros está soportado por un poste. El poste está montado en una plataforma de traslación para permitir el posicionamiento del cable en el rayo láser.

Asegúrese de ajustar la altura de la placa de vidrio al lugar donde se encontró la línea de ablación más fuerte. A continuación, inserte el cable en el centro del rayo láser y perpendicular a la línea de ablación. Observe la sombra del alambre y trate de colocarlo en el centro del patrón de ablación.

A continuación, utilice un pulso láser de femtosegundo para producir un patrón de ablación en la placa de vidrio. Verifique el patrón de ablación en la placa de vidrio para ver si el alambre produce un espacio en su centro. De lo contrario, mueva el cable de cobre al centro y ablague una nueva sección de la placa de vidrio.

Repita hasta que el espacio esté en el centro del patrón de ablación. Antes de continuar, fije el cable en su lugar bloqueando su etapa de traducción. A continuación, retire la placa de vidrio de la plataforma de fabricación.

Obtenga el soporte de fibra con su fibra montada e instálelo en la configuración de fabricación. Aquí, el soporte está en su lugar y la fibra está acoplada a un láser de sonda. Envíe un pulso láser de sonda a través de la fibra.

Debe ser aproximadamente paralelo a la línea de ablación registrada en el software CCD. Transfiera la etapa a lo largo de la longitud de la fibra para centrar la nanfibra en la línea de ablación antes de apagar la sonda. Encienda el pulso de femtosegundo y traslade la fibra en el plano horizontal perpendicular a su longitud con el objetivo de maximizar la superposición de la fibra con el pulso láser de femtosegundo.

Compruébelo midiendo la potencia de la luz dispersa con el fotodiodo. Después de maximizar la superposición, establezca el ángulo de fabricación. Ahora, use el medidor de potencia para bloquear el láser de femtosegundo.

A continuación, ajuste la energía del pulso para que sea cero punto dos, siete milijulios y cambie la configuración del láser de femtosegundos para que sea de un solo disparo. Retire el medidor de potencia de la trayectoria del láser y dispare un solo pulso láser de femtosegundo para completar la fabricación. Esta imagen de microscopio electrónico de barrido es de un segmento típico de una muestra de nanofibra fabricada.

Los nanocráteres se forman en el lado oscuro de la fibra. Los nanocráteres son casi circulares con un diámetro de alrededor de 210 nanómetros. En esta muestra, la periodicidad es de 350 nanómetros.

Este espectro de transmisión de la cavidad cristalina protónica apodizada es para luz polarizada perpendicular a las caras del nanocráter. El espectro muestra una región de banda de parada de aproximadamente 794 a 799 nanómetros en la que la transmisión es solo un pequeño porcentaje. Compare esto con el espectro de transmisión de la luz polarizada paralelamente a las caras de los nanocráteres.

También tiene una banda de parada, pero en longitudes de onda más largas, de aproximadamente 796 a 803 nanómetros. Ambos espectros tienen picos que corresponden a modos de cavidad. Los espectros de transmisión de los mismos modos de polarización en las cavidades de cristal fotónico inducidas por defectos muestran un comportamiento similar.

En estos casos, los modos de cavidad están a ambos lados de la banda de parada. Tenga en cuenta que el espaciado del modo de cavidad en longitudes de onda más cortas es mucho mayor que el de longitudes de onda más grandes. Este método de fabricación óptica de disparo único es inmune a las inestabilidades mecánicas que garantizan la altura de la categoría, y esta técnica de fabricación puede implementarse para fabricar varios dispositivos nanofotónicos a partir de nanofibras y puede adaptarse a otros procesos de nanofabricación.