펨토초 레이저에 의한 절제를 사용하여 나노 섬유에 1-D 광자 크리스탈 캐비티의 제작

우리는 펨토초 레이저 유발 절제하여 파장 이하 직경의 실리카 섬유 (나노 파이버 광)의 1-D 광결정 공동을 제조하는 프로토콜을 제시한다.

이 절차의 전반적인 목표는 하위 파장 직경의 폐기물이 있는 테이퍼 광 섬유에 1차원 광자 결정 공동의 광학 제작을 입증하는 것입니다. 우리 방법의 핵심은 수천 개의 경험적 나노 제작자 또는 나노 섬유를 제작하는 것이지만 그것은 단지 하나의 레이저 부품일 뿐이며 생성된 나노 구조는 결국 1차원 광자 결정 공동으로 작용하여 나노 광자 및 양자 정보 과학에 새로운 가능성을 열 수 있다고 생각합니다. 이 작업의 한 가지 필수적인 측면은 나노 섬유 자체가 원통형 렌즈 역할을 하고 레이저 빔을 측면 표면에 집중시킨다는 것입니다.

또한, 제작을 구별하면 기계적 불안정 또는 기타 제작 결함에 영향을 받지 않습니다. 음성 읽기는 제 연구실의 대학원생인 Jameesh Keloth와 함께 하는 절차입니다. 제작을 위한 나노 섬유는 상용 장치를 사용하여 생산될 것입니다.

섬유는 이 노즐에서 옥소수소 화염으로 가열됩니다. 섬유는 테이퍼 단면을 생성하기 위해 전동 스테이지에 의해 당겨집니다. 컴퓨터는 프로브 레이저와 포토다이오드의 입력을 사용하여 광섬유를 통한 전송을 모니터링합니다.

나노 섬유는 약 210mm 길이의 단일 모드 최적 섬유 길이로 만들어집니다. 나노 섬유를 생산하려면 다른 장비가 필요합니다. 시작하려면 섬유 코팅 스트리퍼, 메탄올 공급원 및 클린룸 물티슈가 있어야 합니다.

또한 단일 모드 광섬유가 잠길 수 있는 아세톤 저장소가 있어야 합니다. 나노 섬유에 먼지가 쌓이는 것을 방지하려면 신속하게 분리할 준비를 하십시오. 이 실험을 위해 나노 섬유는 UV 경화형 에폭시를 사용하여 이 나노 섬유 홀더에 장착됩니다.

홀더는 유리도금 상단 덮개를 사용하여 닫을 수 있습니다. 단일 모드 광섬유의 길이로 시작하여 섬유 코팅 스트리퍼를 사용하여 각 끝에서 5mm의 폴리머 재킷을 제거합니다. 클린룸 와이프를 메탄올에 담그고 끝을 청소하는 데 사용합니다.

다음으로, 두 끝 사이의 섬유를 아세톤 저장소에 담그십시오. 섬유 재킷이 떨어질 때까지 10-15분 동안 그대로 두십시오. 섬유 재킷이 떨어지면 아세톤에서 섬유를 제거하고 메탄올에 적신 클린룸 와이프로 전체 섬유를 청소합니다.

다음 단계에서는 광섬유를 상업용 나노섬유 장치로 가져옵니다. 이 광섬유는 전동 드라이브에 장착되고 제작을 시작할 준비가 됩니다. 장치를 닫고 프로브 레이저를 시작하여 전송을 모니터링합니다.

소프트웨어를 사용하여 화염을 점화하고, 매개변수를 로드하고, 제작을 시작합니다. 제작이 완료되면 에폭시가 함유된 나노섬유 홀더를 장치에 가져갑니다. UV 경화형 에폭시를 사용하여 테이퍼의 양쪽에 섬유를 고정합니다.

광섬유가 제자리에 고정되면 나노섬유 홀더를 상단 덮개로 덮습니다. 샘플을 깨끗한 상자에 넣어 실험 설정으로 옮깁니다. 이것은 펨토초 레이저 제작을 위한 설정입니다.

헤파 필터가 있는 깨끗한 부스 안에 있습니다. 레이저 빔이 원통형 렌즈 위에서 들어옵니다. 나노섬유 홀더는 X, Y, Z 변환을 위한 스테이지 상단과 회전을 위한 스테이지 위에 위치합니다.

이 회로도는 장치에 대한 보다 명확한 아이디어를 제공합니다. 레이저 광은 원통형 렌즈를 통과합니다. 그런 다음 700나노미터 피치의 위상 마스크에 도달합니다.

위상 마스크는 빔을 0과 더하기 및 빼기 1차수로 분할합니다. 0 순서는 차단되지만 플러스 마이너스 1 순서는 접는 거울에서 반영됩니다. 대칭적으로 배치된 미러는 홀더의 나노 섬유에 간섭 패턴을 생성합니다.

포토다이오드를 사용하면 광섬유의 빛을 모니터링할 수 있습니다. CCD 카메라는 나노 섬유 위치를 모니터링하는 데 사용됩니다. 레이저 제작 설정을 정렬해야 합니다.

이를 위해서는 레이저로 절제할 수 있는 유리판을 사용해야 합니다. 제작 벤치에 유리판을 놓습니다. 변환 단계에서 벤치 높이를 15mm로 조정한 다음 레이저를 사용하여 1밀리줄의 펄스 에너지로 5초 동안 유리를 방출합니다.

CCD 카메라를 사용하여 플레이트를 관찰하고 레이저 유도 절제를 식별합니다. 절제 패턴이 있는 유리에 손상된 선이 보일 수 있습니다. 새로운 절제를 허용하기 위해 유리의 수평 위치를 밀리미터 변경합니다.

그런 다음 새 위치에서 절제의 강도를 테스트하기 위해 유리 표면의 높이를 변경합니다. 유리판을 1밀리줄의 펄스 에너지로 5초 동안 다시 방출합니다. 그런 다음 유리판의 손상을 평가합니다.

이 유리판에서 일어난 것처럼 유리 높이를 조정하고 가장 강한 절제 라인이 식별될 때까지 새로운 영역을 절제합니다. 스테이지를 가장 강한 절제 라인과 관련된 높이에 놓고 미러의 각도를 미세 조정하고 절제를 더욱 최대화합니다. 이 최적화가 끝나면 CCD 카메라용 소프트웨어로 이동합니다.

소프트웨어를 사용하여 시야에서 절제 선의 위치를 표시합니다. 절제의 주기적 구조를 테스트하기 위해 유리판을 제거합니다. 패턴을 이미지화하려면 주사 전자 현미경을 사용하십시오.

패턴은 주기가 350나노미터인 주기적 구조를 보여주어야 합니다. 그렇지 않은 경우 정렬 단계를 반복합니다. 정렬된 제작 벤치에서 시작합니다.

홀더에 적절하게 제작된 테이퍼 섬유를 준비하십시오. 광섬유 홀더를 장착하고 광섬유를 프로브 레이저에 결합합니다. 적절하게 정렬하려면 광섬유가 CCD 소프트웨어에 표시된 절제 선과 거의 평행해야 합니다.

테이퍼 파이버를 통해 프로브 레이저를 보내고 CCD 카메라를 사용하여 산란을 관찰하여 계속합니다. translation stage를 사용하여 길이를 따라 섬유를 이동하고 절제 선의 중앙에 놓습니다. 이제 최소 펄스 에너지로 펨토초 레이저를 사용하십시오.

수평면의 광섬유를 펨토초 레이저 빔과 겹치도록 변환합니다. 그런 다음 수직 평면의 광섬유를 변환하여 절제 선과 해당 위치를 겹칩니다. 다시 말하지만, 펨토초 레이저와의 겹침을 최대화하기 위해 수평면에서 평행 이동합니다.

스테이지를 앞뒤로 번역하는 동안 파이버 홀더의 상단 커버에 있는 유리에서 파이버의 처음 두 차 반사가 있는지 관찰합니다. 밝은 점이 선을 따라 움직이면 나노 섬유가 절제 선과 평행하지 않으며 회전 스테이지를 회전해야 합니다. 반점이 섬광에 나타나면 나노 섬유가 절제 라인과 평행하고 회전 단계를 조정할 필요가 없음을 나타냅니다.

나노 섬유가 절제 라인과 평행하면 프로브 레이저를 끄고 포토다이오드로 광섬유를 통한 전력을 측정합니다. 변환 단계를 사용하여 수평면에서 광섬유를 조정합니다. 조정의 목표는 펨토초 레이저에서 산란되는 측정된 출력을 최대화하는 것입니다.

완료되면 회전 스테이지를 사용하여 섬유를 회전 각도로 회전시킵니다. 다음으로, 파워 미터를 사용하여 펨토초 레이저 빔을 차단합니다. 미터가 영점 2, 7밀리 줄을 읽도록 펄스 에너지를 조정합니다.

레이저 경로에서 미터를 제거하기 전에 펨토초 레이저 설정을 단일 샷으로 변경합니다. 단일 펨토초 레이저 펄스를 발사하여 제작을 완료합니다. 정렬된 설정으로 제작을 시작합니다.

또한 원통형 렌즈 위에 지지할 와이어를 배치합니다. 이 영점 5mm 구리선은 포스트로 지지됩니다. 포스트는 레이저 빔에 와이어를 배치할 수 있도록 변환 스테이지에 장착됩니다.

유리판의 높이를 가장 강한 절제 라인이 있는 위치로 설정해야 합니다. 그런 다음 레이저 빔의 중앙에 와이어를 삽입하고 절제 선에 수직으로 삽입합니다. 와이어의 그림자를 관찰하고 절제 패턴의 중앙에 배치하십시오.

다음으로, 펨토초 레이저 펄스를 사용하여 유리판에 절제 패턴을 생성합니다. 유리판의 절제 패턴을 확인하여 와이어가 중앙에 틈을 생성하는지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 구리선을 중앙으로 이동하고 유리판의 새 부분을 제거합니다.

간격이 절제 패턴의 중앙에 올 때까지 반복합니다. 계속하기 전에 변환 단계를 잠궈 와이어를 제자리에 고정하십시오. 그런 다음 제작 플랫폼에서 유리판을 제거합니다.

장착된 광섬유가 있는 광섬유 홀더를 가져와 제작 설정에 설치하십시오. 여기에서 홀더가 제자리에 있고 광섬유가 프로브 레이저에 연결됩니다. 광섬유를 통해 프로브 레이저 펄스를 보냅니다.

CCD 소프트웨어에 기록된 절제 라인과 거의 평행해야 합니다. 프로브를 끄기 전에 섬유 길이를 따라 스테이지를 변환하여 nanfiber를 절제 라인의 중앙에 배치합니다. 펨토초 펄스를 켜고 펨토초 레이저 펄스와 광섬유의 겹침을 최대화하기 위해 길이에 수직인 수평면의 광섬유를 변환합니다.

포토다이오드로 산란광의 강도를 측정하여 확인하십시오. 겹침을 최대화한 후 제작 각도를 설정합니다. 이제 파워 미터를 사용하여 펨토초 레이저를 차단합니다.

그런 다음 펄스 에너지를 영점 2, 7밀리줄이 되도록 조정하고 펨토초 레이저 설정을 단일 샷으로 변경합니다. 레이저 경로에서 파워 미터를 제거하고 단일 펨토초 레이저 펄스를 발사하여 제작을 완료합니다. 이 주사 전자 현미경 이미지는 제작된 나노섬유 샘플의 일반적인 세그먼트입니다.

나노 분화구는 섬유의 그림자 쪽에 형성됩니다. 나노 분화구는 직경이 약 210나노미터인 거의 원형입니다. 이 샘플에서 주기성은 350나노미터입니다.

아포다이즈된 양성자 결정 공동(protonic crystal cavity)의 이 투과 스펙트럼은 나노 분화구 면에 수직으로 편광된 광을 위한 것입니다. 스펙트럼은 약 794 - 799 나노미터의 저지대역 영역을 보여주며, 여기서 투과율은 몇 퍼센트에 불과합니다. 이것을 나노 분화구 면에 평행하게 편광된 빛의 투과 스펙트럼과 비교하십시오.

또한 정지 대역을 가지고 있지만 약 796에서 803 나노 미터의 더 긴 파장에서 발생합니다. 두 스펙트럼 모두 캐비티 모드에 해당하는 피크를 가지고 있습니다. 결함 유도 광자 결정 공동에서 동일한 편광 모드의 투과 스펙트럼은 유사한 거동을 보여줍니다.

이러한 경우 캐비티 모드는 정지 대역의 양쪽에 있습니다. 더 짧은 파장에서의 캐비티 모드 간격은 더 큰 파장에서의 간격보다 훨씬 큽니다. 이 단발광 광학 제조 방법은 범주의 높이를 보장하는 기계적 불안정성에 영향을 받지 않으며, 이 제조 기술은 나노 섬유로부터 다양한 나노 광자 소자를 만들기 위해 구현될 수 있으며 다른 나노 제조 공정에 적용될 수 있습니다.