Wytwarzanie 1-D fotonicznej wnęki kryształu na nanowłóknie za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym

Przedstawiamy protokół wytwarzania wnęk kryształów fotonicznych 1D na włóknach krzemionkowych o średnicy podfalowej (nanowłókna optyczne) za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym.

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie optycznego wytwarzania jednowymiarowej wnęki kryształów fotonicznych na stożkowym światłowodzie ze stratami o średnicy poniżej długości fali. Kluczowym punktem naszej metody jest wyprodukowanie tysiąca empirycznych nanotwórców lub nanowłókien, ale myślę, że jest to tylko pojedyncza część lasera, a powstała nanostruktura ostatecznie działa jak jednowymiarowa wnęka kryształu fotonicznego, co może otworzyć nowe możliwości dla nanofotoniki i informatyki kwantowej. Jednym z istotnych aspektów tej pracy jest to, że samo nanowłókno działa jak cylindryczna soczewka i skupia wiązkę laserową na swojej bocznej powierzchni.

Co więcej, wyróżnienie wykonania sprawia, że jest ono odporne na wszelkie niestabilności mechaniczne lub inne niedoskonałości produkcyjne. Czytanie głosu to procedura z Jameeshem Kelothem, doktorantem z mojego laboratorium. Nanowłókna do produkcji zostaną wyprodukowane przy użyciu komercyjnego urządzenia.

Włókno jest podgrzewane płomieniem oksowodoru z tej dyszy. Włókno jest ciągnięte przez zmotoryzowane stopnie w celu wytworzenia zwężającego się przekroju. Komputer monitoruje transmisję przez światłowód za pomocą sygnału wejściowego z sondy laserowej i fotodiody.

Nanowłókno zostanie wykonane z optymalnego włókna jednomodowego o długości około 210 milimetrów. Produkcja nanowłókien będzie wymagała innego sprzętu. Na początek miej środek do usuwania powłok z włókien, źródło metanolu i chusteczki do pomieszczeń czystych.

Posiadaj również zbiornik acetonu, w którym można zanurzyć światłowód jednomodowy. Aby zapobiec gromadzeniu się kurzu na nanowłóknie, należy być przygotowanym na jego szybkie odizolowanie. W tym eksperymencie nanowłókno zostanie zamontowane w tym uchwycie z nanowłókien za pomocą żywicy epoksydowej utwardzanej promieniami UV.

Uchwyt można zamknąć za pomocą szklanej pokrywy górnej. Zacznij od długości włókna jednomodowego i użyj środka do usuwania powłoki z włókien, aby usunąć pięć milimetrów polimerowej osłony z każdego końca. Zanurz chusteczkę do pomieszczeń czystych w metanolu i użyj jej do oczyszczenia końcówek.

Następnie zanurz włókno między dwoma końcami w zbiorniku acetonu. Trzymaj go tam przez 10 do 15 minut, aż kurtka z włókna odpadnie. Gdy kurtka z włókna odpadnie, usuń włókno z acetonu i wyczyść całe włókno chusteczką do pomieszczeń czystych zamoczoną w metanolu.

Aby wykonać kolejne kroki, przenieś światłowód do komercyjnego urządzenia z nanowłókien. Światłowód ten jest zamontowany na napędach silnikowych i gotowy do rozpoczęcia produkcji. Zamknij urządzenie i uruchom sondę laserową, aby monitorować transmisję.

Użyj oprogramowania, aby zapalić płomień, załadować parametry i rozpocząć produkcję. Po zakończeniu produkcji zabierz uchwyt z nanowłókien z żywicą epoksydową do urządzenia. Zabezpiecz włókno po obu stronach stożka za pomocą żywicy epoksydowej utwardzanej promieniami UV.

Gdy włókno znajdzie się na miejscu, przykryj uchwyt z nanowłókna górną pokrywą. Umieść próbkę w czystym pudełku, aby przenieść ją do zestawu eksperymentu. Jest to konfiguracja do produkcji lasera femtosekundowego.

Znajduje się w czystej kabinie z filtrami hepa. Promień lasera wpada znad cylindrycznej soczewki. Uchwyt z nanowłókien będzie umieszczony na stoliku do translacji X, Y, Z i jednego do obrotu.

Ten schemat daje jaśniejsze wyobrażenie o aparacie. Światło lasera przechodzi przez cylindryczną soczewkę. Następnie dociera do maski fazowej o skoku 700 nanometrów.

Maska fazowa dzieli wiązkę na rzędy zero oraz plus i minus jeden. Kolejność zerowa jest zablokowana, ale rozkazy plus minus jeden odbijają się od składanych lusterek. Symetrycznie rozmieszczone zwierciadła prowadzą do powstania wzoru interferencyjnego na nanowłóknie w jego uchwycie.

Fotodioda umożliwia monitorowanie światła w światłowodzie. Kamera CCD służy do monitorowania pozycji nanowłókien. Konfiguracja produkcji lasera musi być wyrównana.

Wymaga to użycia szklanej płytki, która może być ablatkana przez laser. Połóż szklaną płytkę na stole produkcyjnym. Na etapie translacji dostosuj wysokość ławki do 15 milimetrów, a następnie użyj lasera do naświetlania szkła przez pięć sekund przy energii impulsu wynoszącej jeden milidżul.

Użyj kamery CCD, aby obserwować płytkę i zidentyfikować ablację indukowaną laserem. Na szkle z wzorem ablacji widoczna jest uszkodzona linia. Zmień poziome położenie szkła o milimetr, aby umożliwić nową ablację.

Następnie należy zmienić wysokość powierzchni szkła, aby przetestować siłę ablacji w nowej pozycji. Ponownie napromieniuj szklaną płytkę przez pięć sekund energią impulsu wynoszącą jeden milidżul. Następnie oceń uszkodzenia szklanej płyty.

Podobnie jak w przypadku tej szklanej płytki, dostosuj wysokość szkła i abluj nowy obszar, aż zostanie zidentyfikowana najsilniejsza linia ablacji. Gdy stolik znajduje się na wysokości związanej z najsilniejszą linią ablacji, dostosuj kąt luster i przygotuj dalszą maksymalizację ablacji. Po tej optymalizacji przejdź do oprogramowania dla kamery CCD.

Za pomocą oprogramowania zaznacz położenie linii ablacji w polu widzenia. Usuń szklaną płytkę, aby przetestować okresową strukturę ablacji. Aby zobrazować wzór, użyj skaningowego mikroskopu elektronowego.

Wzór powinien wykazywać strukturę okresową z okresem 350 nanometrów. Jeśli nie, powtórz kroki wyrównywania. Zacznij od wyrównanego stołu produkcyjnego.

Przygotuj odpowiednio wykonane włókno stożkowe w swoim uchwycie. Zamontuj uchwyt światłowodu i połącz światłowód z laserem sondującym. Aby być prawidłowo wyrównanym, światłowód powinien być w przybliżeniu równoległy do linii ablacji oznaczonej w oprogramowaniu CCD.

Kontynuuj, wysyłając laser sondy przez stożkowe światłowód i używając kamery CCD do obserwacji rozpraszania. Użyj etapu translacji, aby przesunąć włókno wzdłuż jego długości i wyśrodkować je na linii ablacji. Teraz użyj lasera femtosekundowego o minimalnej energii impulsu.

Przełóż włókno w płaszczyźnie poziomej, aby nakładało się na wiązkę lasera femtosekundowego. Następnie przełóż włókno w płaszczyźnie pionowej, aby nałożyło się na jego położenie z linią ablacji. Ponownie przesuń w płaszczyźnie poziomej, aby zmaksymalizować nakładanie się z laserem femtosekundowym.

Podczas przesuwania sceny do przodu iz powrotem, obserwuj szkło na górnej pokrywie uchwytu światłowodu pod kątem pierwszych dwóch odbić od światłowodu. Jeśli jasne punkty poruszają się wzdłuż linii, nanowłókno nie jest równoległe do linii ablacji i etap rotacji musi zostać obrócony. Jeśli plamki pojawiają się w mgnieniu oka, oznacza to, że nanowłókno jest równoległe do linii ablacji, a etap rotacji nie wymaga regulacji.

Gdy nanoświatłowód jest równoległy do linii ablacji, wyłącz laser sondy i zmierz moc przez światłowód za pomocą fotodiody. Użyj etapu translacji, aby dostosować światłowód w płaszczyźnie poziomej. Celem regulacji jest maksymalizacja zmierzonej mocy rozproszonej z lasera femtosekundowego.

Po zakończeniu użyj etapu rotacji, aby obrócić włókno do kąta obrotu. Następnie weź miernik mocy i użyj go do zablokowania femtosekundowej wiązki laserowej. Dostosuj energię impulsu tak, aby miernik wskazywał punkt zerowy dwa siedem milidżuli.

Zmień ustawienie lasera femtosekundowego na pojedynczy strzał przed usunięciem miernika ze ścieżki lasera. Zakończ produkcję, wystrzeliwując pojedynczy femtosekundowy impuls laserowy. Rozpocznij produkcję od wyrównanej konfiguracji.

Ponadto należy ustawić drut podparty nad cylindryczną soczewką. Ten pięciomilimetrowy drut miedziany w punkcie zerowym jest podtrzymywany przez słupek. Słupek montowany jest na stoliku translacyjnym, aby umożliwić pozycjonowanie drutu w wiązce laserowej.

Upewnij się, że ustawiłeś wysokość szklanej płytki na miejsce, w którym znaleziono najsilniejszą linię ablacji. Następnie włóż drut w środek wiązki laserowej i prostopadle do linii ablacji. Obserwuj cień drutu i spróbuj ustawić go w środku wzoru ablacji.

Następnie użyj femtosekundowego impulsu laserowego, aby wytworzyć wzór ablacji na szklanej płytce. Sprawdź wzór ablacji na szklanej płytce, aby zobaczyć, czy drut tworzy szczelinę w swoim środku. Jeśli nie, przesuń drut miedziany na środek i zneutralizuj nową część szklanej płytki.

Powtarzaj tę czynność, aż przerwa znajdzie się w środku wzoru ablacji. Zanim przejdziesz dalej, zamocuj drut na miejscu, blokując jego etap translacji. Następnie zdejmij szklaną płytkę z platformy produkcyjnej.

Zdobądź uchwyt światłowodu z zamontowanym światłowodem i zainstaluj go w konfiguracji produkcyjnej. Tutaj uchwyt jest na miejscu, a światłowód jest sprzężony z laserem sondującym. Wyślij impuls laserowy sondy przez światłowód.

Powinna być w przybliżeniu równoległa do linii ablacji zapisanej w oprogramowaniu CCD. Przesuń stolik wzdłuż długości światłowodu, aby wyśrodkować nanfiber na linii ablacyjnej przed wyłączeniem sondy. Włącz impuls femtosekundowy i przesuń światłowód w płaszczyźnie poziomej prostopadłej do jego długości, aby zmaksymalizować nakładanie się światłowodu z femtosekundowym impulsem laserowym.

Sprawdź, mierząc moc rozproszonego światła za pomocą fotodiody. Po zmaksymalizowaniu zakładki ustaw kąt produkcji. Teraz użyj miernika mocy, aby zablokować laser femtosekundowy.

Następnie dostosuj energię impulsu tak, aby wynosiła punkt zerowy, dwa siedem milidżuli i zmień ustawienie lasera femtosekundowego na pojedynczy strzał. Usuń miernik mocy ze ścieżki lasera i wystrzel pojedynczy femtosekundowy impuls laserowy, aby zakończyć wytwarzanie. Ten obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawia typowy segment sfabrykowanej próbki nanowłókien.

Nanokratery powstają po zacienionej stronie włókna. Nanoklatry są prawie okrągłe o średnicy około 210 nanometrów. W tej próbce okresowość wynosi 350 nanometrów.

To widmo transmisyjne z apodyzowanej wnęki kryształów protonowych jest przeznaczone dla światła spolaryzowanego prostopadle do powierzchni nanokrateru. Widmo pokazuje obszar pasma zatrzymania od około 794 do 799 nanometrów, w którym transmisja wynosi tylko kilka procent. Porównajmy to z widmem transmisji światła spolaryzowanego równolegle do powierzchni nanokrateru.

Ma również pasmo stopu, ale na dłuższych falach od około 796 do 803 nanometrów. Oba widma mają piki, które odpowiadają modom wnęki. Widma transmisyjne z tych samych trybów polaryzacji w indukowanych defektami wnękach kryształów fotonicznych wykazują podobne zachowanie.

W takich przypadkach mody wnęki znajdują się po obu stronach pasma zatrzymania. Należy zauważyć, że odstępy między modami wnęki na krótszych falach są znacznie większe niż na większych długościach fal. Ta metoda wytwarzania optycznego pojedynczego strzału jest odporna na niestabilności mechaniczne zapewniające wysokość kategorii i ta technika wytwarzania może być stosowana do wytwarzania różnych urządzeń nanofotonicznych z nanowłókien i może być dostosowana do innych procesów nanowytwarzania.