フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製

我々は、フェムト秒レーザー誘起アブレーションを使用して、サブ波長直径のシリカファイバ（光ナノファイバー）の1-Dフォトニック結晶空洞を製造するためのプロトコルを提示します。

この手順の全体的な目標は、サブ波長径の廃棄物を含むテーパー光ファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の光学的製造を実証することです。私たちの手法のポイントは、数千の経験的ナノクリエーターやナノファイバーを作製することですが、それはレーザーの1つの部分に過ぎず、作られたナノ構造がやがて1次元のフォトニック結晶共振器として働くことで、ナノフォトニクスや量子情報科学の新たな可能性が開かれると考えています。この研究の本質的な側面の1つは、ナノファイバー自体が円筒形のレンズとして機能し、レーザービームをその側面に集束させることです。

さらに、製造を区別することで、機械的な不安定性やその他の製造上の欠陥の影響を受けなくなります。音声の朗読は、私の研究室の大学院生であるJameesh Kelothとの手順です。製造用のナノファイバーは、商用デバイスを使用して製造されます。

繊維は、このノズルからのオキソ水素炎で加熱されます。繊維は電動ステージによって引き出され、テーパーセクションが生成されます。コンピュータは、プローブレーザーとフォトダイオードからの入力を使用して、ファイバーを介した伝送を監視します。

ナノファイバーは、長さ約210ミリメートルのシングルモード最適ファイバーの長さから作られます。ナノファイバーの製造には、他の設備が必要になります。まず、ファイバーコーティングストリッパー、メタノールの供給源、クリーンルーム用ワイプを用意します。

また、シングルモードファイバーを浸漬できるアセトンのリザーバーを用意します。ナノファイバーにホコリが溜まるのを防ぐために、ナノファイバーを素早く隔離できるように準備しておきましょう。この実験では、ナノファイバーをUV硬化型エポキシを使用してこのナノファイバーホルダーに取り付けます。

ホルダーはガラスメッキのトップカバーを使用して閉じることができます。シングルモードファイバーの長さから始めて、ファイバーコーティングストリッパーを使用して、両端からポリマージャケットの5mmを取り除きます。クリーンルーム用ワイプをメタノールに浸し、それを使用して端を清掃します。

次に、両端の間の繊維をアセトンのリザーバーに浸します。ファイバージャケットが脱落するまで、10〜15分間そのままにしておきます。ファイバージャケットが脱落した場合は、アセトンからファイバーを取り除き、メタノールに浸したクリーンルームワイプでファイバー全体を清掃します。

次のステップでは、ファイバーを市販のナノファイバーデバイスに持っていきます。このファイバーは電動ドライブに取り付けられ、製造を開始する準備ができています。デバイスを閉じ、プローブレーザーを開始して送信を監視します。

ソフトウェアを使用して炎に点火し、パラメータをロードして、製造を開始します。製造が完了したら、エポキシを塗布したナノファイバーホルダーをデバイスに持って行きます。UV硬化型エポキシを使用して、テーパーの両側にファイバーを固定します。

ファイバーが所定の位置に配置されたら、ナノファイバーホルダーをトップカバーで覆います。サンプルをクリーンボックスに入れて、実験装置に移します。フェムト秒レーザー作製のセットアップです。

HEPAフィルター付きのクリーンなブースの中にあります。シリンドリカルレンズの上からレーザー光が入ります。ナノファイバーホルダーは、X、Y、Z変換用のステージと回転用のステージの上に設置されます。

この回路図は、装置のより明確なアイデアを提供します。レーザー光はシリンドリカルレンズを通過します。その後、700ナノメートルピッチの位相マスクに到達します。

位相マスクは、ビームを 0 とプラスとマイナスの 1 次に分割します。0 次数はブロックされますが、プラスマイナス 1 次数はフォールディングミラーから反射します。対称的に配置されたミラーは、そのホルダー内のナノファイバーに干渉パターンの作成につながります。

フォトダイオードにより、ファイバー内の光を監視できます。CCDカメラは、ナノファイバーの位置を監視するために使用されます。レーザー加工のセットアップは位置合わせする必要があります。

これには、レーザーでアブレーションできるガラス板を使用する必要があります。ガラス板を製作ベンチに置きます。トランスレーションステージでは、ベンチの高さを15mmに調整し、レーザーを使用して1ミリジュールのパルスエネルギーで5秒間ガラスを放射します。

CCDカメラを使用してプレートを観察し、レーザー誘起アブレーションを特定します。ガラスには、アブレーションパターンの損傷した線が見られます。ガラスの水平位置をミリメートル変更して、新しいアブレーションを可能にします。

その後、新しい位置でのアブレーションの強度をテストするために、ガラス表面の高さを変更します。ガラス板に再び5秒間、1ミリジュールのパルスエネルギーを放射します。次に、ガラス板の損傷を評価します。

このガラスプレートで起こったように、ガラスの高さを調整し、最も強いアブレーションラインが特定されるまで新しい領域をアブレーションします。ステージを最も強いアブレーションラインに関連付けられた高さに置き、ミラーの角度を微調整し、アブレーションをさらに最大化します。この最適化の後、CCDカメラのソフトウェアに移動します。

ソフトウェアを使用して、視野内のアブレーションラインの位置をマークします。ガラス板を取り外して、アブレーションの周期構造をテストします。パターンを画像化するには、走査型電子顕微鏡を使用します。

パターンは、350ナノメートルの周期を持つ周期構造を示す必要があります。そうでない場合は、位置合わせ手順を繰り返します。位置合わせされた製造用ベンチから開始します。

ホルダーに適切に製造されたテーパーファイバーを準備してください。ファイバーホルダーを取り付け、ファイバーをプローブレーザーに結合します。適切に位置合わせするには、ファイバーがCCDソフトウェアでマークされたアブレーションラインとほぼ平行である必要があります。

テーパーファイバーにプローブレーザーを送り、CCDカメラを使用して散乱を観察します。並進ステージを使用して、ファイバーをその長さに沿って移動し、アブレーションラインの中央に配置します。次に、最小のパルスエネルギーでフェムト秒レーザーを使用します。

水平面内のファイバーを平行移動して、フェムト秒レーザービームと重なります。次に、垂直面でファイバーを平行移動して、その位置をアブレーションラインと重ね合わせます。ここでも、フェムト秒レーザーとのオーバーラップを最大化するために、水平面内で平行移動を行います。

ステージを前後に平行移動しながら、ファイバーホルダーの上部カバーのガラスを観察して、ファイバーからの最初の 2 次反射を確認します。輝点が線に沿って移動する場合、ナノファイバーはアブレーション線と平行ではなく、回転ステージを回転させる必要があります。スポットが一瞬で現れる場合は、ナノファイバーがアブレーションラインと平行であり、回転ステージを調整する必要がないことを示しています。

ナノファイバーがアブレーションラインと平行な場合は、プローブレーザーをオフにし、フォトダイオードでファイバーを通る電力を測定します。平行移動ステージを使用して、水平面内のファイバーを調整します。調整の目標は、フェムト秒レーザーから散乱される測定されたパワーを最大化することです。

完了したら、回転ステージを使用してファイバーを回転角度まで回転させます。次に、パワーメーターを取り、それを使用してフェムト秒レーザービームをブロックします。メーターがゼロポイント2 7ミリジュールを示すようにパルスエネルギーを調整します。

フェムト秒レーザー設定をシングルショットに変更してから、レーザー光路からメーターを取り外してください。1つのフェムト秒レーザーパルスを発射して製造を完了します。位置合わせされたセットアップで製造を開始します。

さらに、シリンドリカルレンズの上にワイヤーを支えられるように配置します。このゼロポイント5ミリメートル銅線はポストで支えられています。ポストは平行移動ステージに取り付けられており、レーザービームにワイヤを配置できます。

ガラスプレートの高さは、最も強いアブレーションラインが見つかった場所に設定してください。次に、レーザービームの中心にワイヤーを挿入し、アブレーションラインに垂直に挿入します。ワイヤーの影を観察し、アブレーションパターンの中心に配置してみてください。

次に、フェムト秒レーザーパルスを使用して、ガラスプレート上にアブレーションパターンを生成します。ガラスプレートのアブレーションパターンをチェックして、ワイヤーがその中心にギャップを生じているかどうかを確認します。そうでない場合は、銅線を中央に移動し、ガラスプレートの新しいセクションをアブレーションします。

ギャップがアブレーションパターンの中心に来るまで繰り返します。続行する前に、平行移動ステージをロックしてワイヤを所定の位置に固定します。次に、ガラス板を製造プラットフォームから取り外します。

ファイバーホルダーとファイバーが取り付けられたものを入手し、製造セットアップに取り付けます。ここでは、ホルダーが所定の位置に設置され、ファイバーがプローブレーザーに結合されています。ファイバーを介してプローブレーザーパルスを送ります。

これは、CCDソフトウェアに記録されたアブレーションラインとほぼ平行である必要があります。プローブをオフにする前に、ファイバーの長さに沿ってステージを平行移動して、ナンファイバーをアブレーションラインの中央に配置します。フェムト秒パルスをオンにし、フェムト秒レーザーパルスとのファイバーのオーバーラップを最大化することを目標に、ファイバーをその長さに垂直な水平面で平行移動します。

フォトダイオードで散乱光のパワーを測定して確認してください。オーバーラップを最大化した後、製造角度を設定します。次に、パワーメーターを使用してフェムト秒レーザーをブロックします。

次に、パルスエネルギーをゼロポイント27ミリジュールになるように調整し、フェムト秒レーザー設定をシングルショットに変更します。パワーメーターをレーザーパスから取り外し、1フェムト秒のレーザーパルスを発射して製造を完了します。この走査型電子顕微鏡画像は、作製されたナノファイバーサンプルの典型的なセグメントです。

ナノクレーターは、繊維の影側に形成されます。ナノクレーターはほぼ円形で、直径は約210ナノメートルです。このサンプルでは、周期性は350ナノメートルです。

アポダイズされたプロトン結晶キャビティからのこの透過スペクトルは、ナノクレーター面に垂直に偏光した光に対するものです。スペクトルは、約794〜799ナノメートルの阻止帯域領域を示しており、透過率はわずか数パーセントです。これを、ナノクレーター面に平行に偏光した光の透過スペクトルと比較します。

また、ストップバンドもありますが、約796〜803ナノメートルの長い波長です。どちらのスペクトルにも、キャビティモードに対応するピークがあります。欠陥誘起フォトニック結晶共振器の同じ偏光モードからの透過スペクトルは、同様の挙動を示します。

このような場合、キャビティモードはストップバンドの両側にあります。短い波長での共振器モード間隔は、長い波長での共振器モード間隔よりもはるかに大きいことに注意してください。このシングルショット光学製造法は、カテゴリーの高さを確保する機械的不安定性の影響を受けず、この製造技術は、ナノファイバーから種々のナノフォトニックデバイスを製造するために実装することができ、他のナノ加工プロセスに適合させることができる。