Fabrication de 1-D Cristal Photonique Cavity sur un nanofibres utilisant Ablation laser femtoseconde induite

Nous présentons un protocole de fabrication de 1-D cavités à cristaux photoniques sur des fibres de silice de diamètre Subwavelength (des nanofibres optiques) en utilisant femtoseconde ablation induite par laser.

L’objectif global de cette procédure est de démontrer la fabrication optique d’une cavité cristalline photonique unidimensionnelle sur une fibre optique conique avec des déchets de diamètre inférieur à la longueur d’onde. Le point clé de notre méthode est de fabriquer des nanocréateurs empiriques de mille individus, mais je pense qu’il ne s’agit que d’une seule pièce laser, et la nanostructure créée agit finalement comme une cavité cristalline photonique unidimensionnelle, ce qui peut ouvrir de nouvelles possibilités pour la nanophotonique et la science de l’information quantique. Un aspect essentiel de ce travail est que la nanofibre elle-même agit comme une lentille cylindrique et concentre le faisceau laser sur sa surface latérale.

De plus, la distinction de la fabrication la rend insensible à toute instabilité mécanique ou à toute autre imperfection de fabrication. La lecture vocale est une procédure avec Jameesh Keloth, un étudiant diplômé de mon laboratoire. Les nanofibres pour la fabrication seront produites à l’aide d’un dispositif commercial.

La fibre est chauffée avec une flamme d’oxohydrogène à partir de cette buse. La fibre est étirée par des platines motorisées pour produire une section conique. Un ordinateur surveille la transmission à travers la fibre à l’aide de l’entrée d’une sonde, d’un laser et d’une photodiode.

La nanofibre sera fabriquée à partir d’une longueur de fibre monomode optimale, d’environ 210 millimètres de long. La production de la nanofibre nécessitera d’autres équipements. Pour commencer, munissez-vous d’un décapant de revêtement de fibres, d’une source de méthanol et de lingettes pour salles blanches.

Ayez également un réservoir d’acétone dans lequel la fibre monomode peut être immergée. Pour éviter que la poussière ne s’accumule sur la nanofibre, soyez prêt à l’isoler rapidement. Pour cette expérience, la nanofibre sera montée dans ce support en nanofibres à l’aide d’époxy durcissable aux UV.

Le support peut être fermé à l’aide du couvercle supérieur plaqué verre. Commencez par la longueur de la fibre monomode et utilisez le décapant de revêtement de fibre pour retirer cinq millimètres de la gaine polymère à chaque extrémité. Trempez une lingette pour salle blanche dans du méthanol et utilisez-la pour nettoyer les extrémités.

Ensuite, plongez la fibre entre les deux extrémités dans le réservoir d’acétone. Gardez-le là pendant 10 à 15 minutes jusqu’à ce que la gaine en fibre tombe. Lorsque la gaine de la fibre est tombée, retirez la fibre de l’acétone et nettoyez toute la fibre avec une lingette de salle blanche trempée dans du méthanol.

Pour les prochaines étapes, transférez la fibre vers le dispositif commercial à nanofibres. Cette fibre est montée sur les variateurs motorisés et prête à être fabriquée. Fermez l’appareil et démarrez la sonde laser pour surveiller la transmission.

Utilisez un logiciel pour allumer la flamme, charger les paramètres et commencer la fabrication. Une fois la fabrication terminée, apportez le support en nanofibres avec de l’époxy à l’appareil. Fixez la fibre de chaque côté du cône à l’aide d’époxy durcissable aux UV.

Une fois la fibre en place, couvrez le support en nanofibres avec le couvercle supérieur. Placez l’échantillon dans une boîte propre pour le transférer dans le cadre de l’expérience. Il s’agit de la configuration pour la fabrication de lasers femtosecondes.

C’est à l’intérieur d’une cabine propre avec des filtres hepa. Un faisceau laser pénètre par le haut d’une lentille cylindrique. Le support en nanofibres reposera sur une platine pour la translation X, Y, Z et une pour la rotation.

Ce schéma permet d’y voir plus clair sur l’appareil. La lumière laser passe à travers une lentille cylindrique. Il atteint alors un masque de phase d’un pas de 700 nanomètres.

Le masque de phase divise le faisceau en ordres zéro et plus et moins un. L’ordre zéro est bloqué, mais les ordres plus moins un sont réfléchis par les rétroviseurs rabattables. Les miroirs placés symétriquement conduisent à la création d’un motif d’interférence au niveau de la nanofibre dans son support.

Une photodiode permet de surveiller la lumière dans la fibre. Une caméra CCD est utilisée pour surveiller la position des nanofibres. La configuration de fabrication laser doit être alignée.

Cela nécessite l’utilisation d’une plaque de verre qui peut être ablée par le laser. Placez la plaque de verre sur le banc de fabrication. Avec la platine de translation, ajustez la hauteur du banc à 15 millimètres puis utilisez le laser pour éradiquer le verre pendant cinq secondes à une énergie d’impulsion d’un millijoules.

Utilisez la caméra CCD pour observer la plaque et identifier l’ablation induite par laser. Une ligne endommagée peut être vue sur le verre avec le motif d’ablation. Changez la position horizontale du verre d’un millimètre pour permettre une nouvelle ablation.

Après cela, modifiez la hauteur de la surface du verre afin de tester la résistance de l’ablation dans une nouvelle position. Rayonnez à nouveau la plaque de verre pendant cinq secondes avec une énergie d’impulsion d’un milli de joules. Ensuite, évaluez les dommages de la plaque de verre.

Comme cela s’est produit avec cette plaque de verre, ajustez la hauteur du verre et ablation d’une nouvelle région jusqu’à ce que la ligne d’ablation la plus forte soit identifiée. Avec la platine à la hauteur associée à la ligne d’ablation la plus forte, ajustez l’angle des miroirs et la platine pour maximiser davantage l’ablation. Après cette optimisation, rendez-vous sur le logiciel de la caméra CCD.

Utilisez le logiciel pour marquer la position de la ligne d’ablation dans le champ de vision. Retirez la plaque de verre pour tester la structure périodique de l’ablation. Pour imager le motif, utilisez un microscope électronique à balayage.

Le motif doit montrer une structure périodique avec une période de 350 nanomètres. Si ce n’est pas le cas, répétez les étapes d’alignement. Commencez par le banc de fabrication aligné.

Préparez une fibre conique correctement fabriquée dans son support. Montez le support de fibre et couplez la fibre à un laser sonde. Pour être correctement alignée, la fibre doit être approximativement parallèle à la ligne d’ablation marquée dans le logiciel CCD.

Continuez en envoyant un laser sonde à travers la fibre conique et en utilisant la caméra CCD pour observer la diffusion. Utilisez l’étape de translation pour déplacer la fibre sur sa longueur et la centrer sur la ligne d’ablation. Maintenant, utilisez le laser femtoseconde avec l’énergie d’impulsion minimale.

Traduisez la fibre dans le plan horizontal pour qu’elle se chevauche avec le faisceau laser femtoseconde. Déplacez ensuite la fibre dans le plan vertical pour superposer sa position avec la ligne d’ablation. Encore une fois, transmettez dans le plan horizontal pour maximiser le chevauchement avec le laser femtoseconde.

Tout en déplaçant la platine d’avant en arrière, observez le verre sur le couvercle supérieur du support de fibre pour les réflexions de premier ordre de la fibre. Si les points lumineux se déplacent le long de la ligne, la nanofibre n’est pas parallèle à la ligne d’ablation et l’étage de rotation doit être tourné. Si les taches apparaissent en un éclair, cela indique que la nanofibre est parallèle à la ligne d’ablation et que l’étage de rotation n’a pas besoin d’être ajusté.

Lorsque la nanofibre est parallèle à la ligne d’ablation, éteignez le laser de la sonde et mesurez la puissance à travers la fibre avec la photodiode. Utilisez l’étape de translation pour ajuster la fibre dans le plan horizontal. L’objectif des ajustements est de maximiser la puissance mesurée diffusée par le laser femtoseconde.

Une fois terminé, utilisez l’étage de rotation pour faire pivoter la fibre à l’angle de rotation. Ensuite, prenez le wattmètre et utilisez-le pour bloquer le faisceau laser femtoseconde. Ajustez l’énergie d’impulsion de sorte que le compteur indique zéro virgule deux sept millijoules.

Modifiez le réglage du laser femtoseconde en un seul coup avant de retirer le compteur de la trajectoire du laser. Terminez la fabrication en tirant une seule impulsion laser femtoseconde. Commencez la fabrication avec une configuration alignée.

De plus, prévoyez qu’un fil soit soutenu au-dessus de la lentille cylindrique. Ce fil de cuivre de cinq millimètres est soutenu par un poteau. Le poteau est monté sur une platine de translation pour permettre le positionnement du fil dans le faisceau laser.

Assurez-vous de régler la hauteur de la plaque de verre à l’endroit où la ligne d’ablation la plus forte a été trouvée. Insérez ensuite le fil au centre du faisceau laser et perpendiculairement à la ligne d’ablation. Observez l’ombre du fil et essayez de le positionner au centre du motif d’ablation.

Ensuite, utilisez une impulsion laser femtoseconde pour produire un motif d’ablation sur la plaque de verre. Vérifiez le motif d’ablation sur la plaque de verre pour voir si le fil produit un espace en son centre. Si ce n’est pas le cas, déplacez le fil de cuivre vers le centre et ablation d’une nouvelle section de la plaque de verre.

Répétez l’opération jusqu’à ce que l’espace soit au centre du motif d’ablation. Avant de continuer, fixez le fil en place en verrouillant son étage de translation. Retirez ensuite la plaque de verre de la plate-forme de fabrication.

Procurez-vous le support de fibre avec sa fibre montée et installez-le dans la configuration de fabrication. Ici, le support est en place et la fibre est couplée à une sonde laser. Envoyez une impulsion laser de sonde à travers la fibre.

Il doit être à peu près parallèle à la ligne d’ablation enregistrée dans le logiciel CCD. Déplacez l’étage le long de la longueur de la fibre pour centrer la fibre sur la ligne d’ablation avant d’éteindre la sonde. Activez l’impulsion femtoseconde et transmettez la fibre dans le plan horizontal perpendiculaire à sa longueur dans le but de maximiser le chevauchement de la fibre avec l’impulsion laser femtoseconde.

Vérifiez en mesurant la puissance de la lumière diffusée avec la photodiode. Après avoir maximisé le chevauchement, définissez l’angle de fabrication. Maintenant, utilisez le capteur de puissance pour bloquer le laser femtoseconde.

Ajustez ensuite l’énergie d’impulsion de manière à ce qu’elle soit zéro point deux sept millijoules et modifiez le réglage du laser femtoseconde pour qu’il soit à un seul coup. Retirez le wattmètre de la trajectoire du laser et tirez une seule impulsion laser femtoseconde pour terminer la fabrication. Cette image au microscope électronique à balayage est celle d’un segment typique d’un échantillon de nanofibres fabriqué.

Les nanocratères se forment du côté obscur de la fibre. Les nanocratères sont presque circulaires avec un diamètre d’environ 210 nanomètres. Dans cet échantillon, la périodicité est de 350 nanomètres.

Ce spectre de transmission de la cavité cristalline protonique apodisée est pour la lumière polarisée perpendiculairement aux faces des nanocratères. Le spectre montre une région de bande d’arrêt d’environ 794 à 799 nanomètres dans laquelle la transmission n’est que de quelques pour cent. Comparez cela avec le spectre de transmission de la lumière polarisée parallèlement aux faces des nanocratères.

Il a également une bande d’arrêt, mais à des longueurs d’onde plus longues d’environ 796 à 803 nanomètres. Les deux spectres ont des pics qui correspondent aux modes de cavité. Les spectres de transmission des mêmes modes de polarisation dans les cavités cristallines photoniques induites par le défaut montrent un comportement similaire.

Dans ces cas, les modes de cavité se trouvent de chaque côté de la bande d’arrêt. Notez que l’espacement des modes de cavité aux longueurs d’onde plus courtes est beaucoup plus grand que celui aux longueurs d’onde plus grandes. Cette méthode de fabrication optique à injection unique est immunisée contre les instabilités mécaniques, assurant la hauteur de la catégorie, et cette technique de fabrication peut être mise en œuvre pour fabriquer divers dispositifs nanophotoniques à partir de nanofibres et peut être adaptée à d’autres processus de nanofabrication.