Fabbricazione di 1-D Photonic cristallo cavità su una nanofibre Utilizzando ablazione laser a femtosecondi-indotta

Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di 1-D cavità a cristallo fotonico in fibre di silice diametro subwavelength (nanofibre ottici) utilizzando femtosecondi ablazione laser-indotta.

L'obiettivo generale di questa procedura è dimostrare la fabbricazione ottica di una cavità cristallina fotonica unidimensionale su una fibra ottica affusolata con un rifiuto di diametro inferiore alla lunghezza d'onda. Il punto chiave del nostro metodo è quello di fabbricare migliaia di nanocreatori empirici o una nanofibra, ma penso che sia solo una singola parte del laser e la nanostruttura creata alla fine agisce come una cavità cristallina fotonica unidimensionale che potrebbe aprire nuove possibilità per la nanofotonica e la scienza dell'informazione quantistica. Un aspetto essenziale di questo lavoro è che la nanofibra stessa agisce come una lente cilindrica e focalizza il raggio laser sulla sua superficie laterale.

Inoltre, distinguere la fabbricazione lo rende immune da qualsiasi instabilità meccanica o qualsiasi altra imperfezione di fabbricazione. La lettura della voce è una procedura con Jameesh Keloth, uno studente laureato del mio laboratorio. Le nanofibre per la fabbricazione saranno prodotte utilizzando un dispositivo commerciale.

La fibra viene riscaldata con una fiamma oxoidrogeno da questo ugello. La fibra viene tirata da stadi motorizzati per produrre una sezione conica. Un computer monitora la trasmissione attraverso la fibra utilizzando l'input di una sonda, di un laser e di un fotodiodo.

La nanofibra sarà costituita da una lunghezza di fibra ottimale monomodale, lunga circa 210 millimetri. La produzione della nanofibra richiederà altre attrezzature. Per iniziare, avere uno sverniciatore per rivestimento in fibra, una fonte di metanolo e salviette per camere bianche.

Inoltre, avere un serbatoio di acetone in cui la fibra monomodale può essere immersa. Per evitare che la polvere si accumuli sulla nanofibra, preparati a isolarla rapidamente. Per questo esperimento, la nanofibra sarà montata in questo supporto in nanofibra utilizzando resina epossidica polimerizzabile UV.

Il supporto può essere chiuso utilizzando il coperchio superiore in vetro. Inizia con la lunghezza della fibra monomodale e usa lo sverniciatore di rivestimento in fibra per rimuovere cinque millimetri di rivestimento in polimero da ciascuna estremità. Immergi una salvietta per camera bianca nel metanolo e usalo per pulire le punte.

Successivamente, immergere la fibra tra le due estremità nel serbatoio di acetone. Tienilo lì per 10-15 minuti fino a quando il rivestimento in fibra non cade. Quando il rivestimento in fibra è caduto, rimuovere la fibra dall'acetone e pulire l'intera fibra con un panno per camera bianca imbevuto di metanolo.

Per i passaggi successivi, portare la fibra al dispositivo in nanofibra commerciale. Questa fibra è montata sugli azionamenti motorizzati e pronta per l'inizio della fabbricazione. Chiudere il dispositivo e avviare la sonda laser per monitorare la trasmissione.

Usa il software per accendere la fiamma, caricare i parametri e avviare la fabbricazione. Al termine della fabbricazione, portare il supporto in nanofibra con resina epossidica sul dispositivo. Fissare la fibra su entrambi i lati del cono utilizzando resina epossidica polimerizzabile UV.

Una volta che la fibra è in posizione, coprire il supporto in nanofibra con il coperchio superiore. Posizionare il campione in una scatola pulita per trasferirlo nella configurazione dell'esperimento. Questa è la configurazione per la fabbricazione di laser a femtosecondi.

Si trova all'interno di una cabina pulita con filtri hepa. Un raggio laser entra da sopra una lente cilindrica. Il supporto in nanofibra si troverà in cima a un palco per la traslazione X, Y, Z e uno per la rotazione.

Questo schema fornisce un'idea più chiara dell'apparato. La luce laser passa attraverso una lente cilindrica. Raggiunge quindi una maschera di fase con un passo di 700 nanometri.

La maschera di fase divide il fascio in ordini zero e più e meno uno. L'ordine zero è bloccato, ma gli ordini più meno uno si riflettono dagli specchi pieghevoli. Gli specchi posizionati simmetricamente portano alla creazione di un modello di interferenza sulla nanofibra nel suo supporto.

Un fotodiodo consente il monitoraggio della luce nella fibra. Una telecamera CCD viene utilizzata per monitorare la posizione della nanofibra. La configurazione di fabbricazione laser deve essere allineata.

Ciò richiede l'uso di una lastra di vetro che può essere ablata dal laser. Metti la lastra di vetro sul banco di fabbricazione. Con la fase di traslazione, regolare l'altezza del banco a 15 millimetri, quindi utilizzare il laser per irradiare il vetro per cinque secondi con un'energia di impulso di un millijoule.

Utilizzare la telecamera CCD per osservare la piastra e identificare l'ablazione indotta dal laser. Sul vetro si può vedere una linea danneggiata con il modello di ablazione. Modificare la posizione orizzontale del vetro di un millimetro per consentire una nuova ablazione.

Successivamente, modificare l'altezza della superficie del vetro per testare la forza dell'ablazione in una nuova posizione. Irradiare nuovamente la lastra di vetro per cinque secondi con un'energia di impulso di un millijoule. Quindi, valutare il danno della lastra di vetro.

Come è successo con questa lastra di vetro, regolare l'altezza del bicchiere e ablare una nuova regione fino a identificare la linea di ablazione più forte. Con il tavolino all'altezza associato alla linea di ablazione più forte, regolare con precisione l'angolo degli specchi e mettere in scena per massimizzare ulteriormente l'ablazione. Dopo questa ottimizzazione, vai al software per la telecamera CCD.

Utilizzare il software per contrassegnare la posizione della linea di ablazione nel campo visivo. Rimuovere la lastra di vetro per testare la struttura periodica dell'ablazione. Per visualizzare il modello, utilizzare un microscopio elettronico a scansione.

Il modello dovrebbe mostrare una struttura periodica con un periodo di 350 nanometri. In caso contrario, ripetere i passaggi di allineamento. Iniziare dal banco di fabbricazione allineato.

Tenere pronta una fibra affusolata correttamente fabbricata nel suo supporto. Montare il supporto della fibra e accoppiare la fibra a un laser a sonda. Per essere allineata correttamente, la fibra deve essere approssimativamente parallela alla linea di ablazione contrassegnata nel software CCD.

Continuare inviando una sonda laser attraverso la fibra conica e utilizzando la telecamera CCD per osservare la dispersione. Utilizzare la fase di traslazione per spostare la fibra lungo la sua lunghezza e centrarla sulla linea di ablazione. Ora, usa il laser a femtosecondi con l'energia minima dell'impulso.

Traslare la fibra sul piano orizzontale in modo che si sovrapponga al raggio laser a femtosecondi. Quindi traslare la fibra sul piano verticale per sovrapporre la sua posizione con la linea di ablazione. Anche in questo caso, traslare sul piano orizzontale per massimizzare la sovrapposizione con il laser a femtosecondi.

Mentre traslate il tavolino avanti e indietro, osservate il vetro sul coperchio superiore del supporto della fibra per i primi due riflessi della fibra. Se i punti luminosi si muovono lungo la linea, la nanofibra non è parallela alla linea di ablazione e lo stadio di rotazione deve essere ruotato. Se le macchie compaiono in un lampo, ciò indica che la nanofibra è parallela alla linea di ablazione e che la fase di rotazione non necessita di regolazioni.

Quando la nanofibra è parallela alla linea di ablazione, spegnere il laser sonda e misurare la potenza attraverso la fibra con il fotodiodo. Utilizzare la fase di traslazione per regolare la fibra sul piano orizzontale. L'obiettivo delle regolazioni è massimizzare la potenza misurata diffusa dal laser a femtosecondi.

Al termine, utilizzare la fase di rotazione per ruotare la fibra all'angolo di rotazione. Quindi, prendi il misuratore di potenza e usalo per bloccare il raggio laser a femtosecondi. Regolare l'energia dell'impulso in modo che il misuratore legga zero virgola due sette millijoule.

Modificare l'impostazione del laser a femtosecondi su colpo singolo prima di rimuovere l'esposimetro dal percorso laser. Completa la fabbricazione sparando un singolo impulso laser a femtosecondi. Iniziare la fabbricazione con una configurazione allineata.

Inoltre, predisporre un filo da sostenere sopra la lente cilindrica. Questo filo di rame di cinque millimetri a punto zero è sostenuto da un palo. Il palo è montato su un tavolino di traslazione per consentire il posizionamento del filo nel raggio laser.

Assicurati di impostare l'altezza della lastra di vetro nel punto in cui è stata trovata la linea di ablazione più forte. Inserire quindi il filo al centro del raggio laser e perpendicolarmente alla linea di ablazione. Osserva l'ombra del filo e cerca di posizionarlo al centro del pattern di ablazione.

Quindi, utilizzare un impulso laser a femtosecondi per produrre un modello di ablazione sulla lastra di vetro. Controlla il modello di ablazione sulla lastra di vetro per vedere se il filo produce uno spazio vuoto al centro. In caso contrario, spostare il filo di rame al centro e ablare una nuova sezione della lastra di vetro.

Ripetere fino a quando lo spazio non si trova al centro del modello di ablazione. Prima di continuare, fissare il filo in posizione bloccandone la fase di traslazione. Quindi rimuovere la lastra di vetro dalla piattaforma di fabbricazione.

Prendi il supporto in fibra con la sua fibra montata e installalo nella configurazione di fabbricazione. Qui, il supporto è in posizione e la fibra è accoppiata a un laser a sonda. Invia un impulso laser della sonda attraverso la fibra.

Dovrebbe essere approssimativamente parallela alla linea di ablazione registrata nel software CCD. Traslare il tavolino lungo la lunghezza della fibra per centrare la nanfiber sulla linea di ablazione prima di spegnere la sonda. Attiva l'impulso a femtosecondi e trasla la fibra sul piano orizzontale perpendicolare alla sua lunghezza con l'obiettivo di massimizzare la sovrapposizione della fibra con l'impulso laser a femtosecondi.

Controllare misurando la potenza della luce diffusa con il fotodiodo. Dopo aver massimizzato la sovrapposizione, impostare l'angolo di fabbricazione. Ora, usa il misuratore di potenza per bloccare il laser a femtosecondi.

Quindi regolare l'energia dell'impulso in modo che sia zero virgola due sette millijoule e modificare l'impostazione del laser a femtosecondi su un colpo singolo. Rimuovere il misuratore di potenza dal percorso del laser e sparare un singolo impulso laser a femtosecondi per completare la fabbricazione. Questa immagine al microscopio elettronico a scansione è di un segmento tipico di un campione di nanofibra fabbricato.

I nanocrateri si formano sul lato in ombra della fibra. I nanocrateri sono quasi circolari con un diametro di circa 210 nanometri. In questo campione, la periodicità è di 350 nanometri.

Questo spettro di trasmissione dalla cavità cristallina protonica apodizzata è per la luce polarizzata perpendicolarmente alle facce del nanocratere. Lo spettro mostra una regione della banda di arresto da circa 794 a 799 nanometri in cui la trasmissione è solo di pochi punti percentuali. Confrontate questo con lo spettro di trasmissione della luce polarizzata parallelamente alle facce dei nanocrateri.

Ha anche una banda di stop, ma a lunghezze d'onda più lunghe, da circa 796 a 803 nanometri. Entrambi gli spettri hanno picchi che corrispondono ai modi della cavità. Gli spettri di trasmissione dalle stesse modalità di polarizzazione nelle cavità cristalline fotoniche indotte da difetti mostrano un comportamento simile.

In questi casi, le modalità di cavità si trovano su entrambi i lati della banda di arresto. Si noti che la spaziatura della modalità cavità a lunghezze d'onda più corte è molto più grande di quella a lunghezze d'onda più grandi. Questo metodo di fabbricazione ottica a colpo singolo è immune alle instabilità meccaniche garantendo l'altezza della categoria e questa tecnica di fabbricazione può essere implementata per realizzare vari dispositivi nanofotonici da nanofibre e può essere adattata ad altri processi di nanofabbricazione.