Name: Fabricação de 1-D cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser femtosegundo (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 2 s
Description: Aprenda a fabricar cavidades de cristal fotônico 1-D em nanofibras ópticas usando ablação a laser femtosegundo. Este método preciso cria nanocavidades para aplicações em nanofotônica e ciência da informação quântica.

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Este trabalho foi apoiado pela Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JST) por meio do Programa de Inovação Estratégica. A KPN reconhece o apoio de uma bolsa de auxílio para pesquisa científica (Grant no. 15H05462) da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JSPS).

CUIDADO: Use óculos de segurança e estritamente evite a exposição directa à lâmpada UV e todos os lasers, incluindo o laser de femtosegundo. Usar um terno quarto limpo e luvas para evitar a contaminação. Elimine qualquer lixo fibra corretamente na caixa de lixo designado. 1. Preparação de nanofibras <ol><li> Utilize uma stripper revestimento fibra para remover o revestimento de polímero da fibra óptica de modo único para um comprimento de 5 mm em dois lugares separados por 200 mm. Limpe as duas partes descascadas mecanicamente usando sala limpa toalhete embebido em metanol. Mergulhar a fibra entre estas duas partes descascadas em acetona. Esperar por 10 - 15 minutos até o revestimento da fibra desmoronar. Retire a fibra a partir de acetona e limpe toda a parte despojado usando sala limpa toalhete embebido em metanol. </li><li> Definir a fibra despojado nas duas fases do nanofibras óptica Fabricação de equipamento (onme) para fabricar o nanofibras. <ol><li> Lançar o laser sonda na fibra e monitorar a transmission usando o fotodiodo e registrar os dados de transmissão no computador usando o cartão de ADC. Iniciar o fluxo de gás utilizando o software onme e inflamar a chama. Carregar o parâmetro pré-optimizados no software onme para a fabricação de fibras com diâmetro cónico cintura de 500 nm e iniciar o processo de fabricação. NOTA: O onme é um dispositivo disponível comercialmente, concebidas para o fabrico de fibras ópticas afiladas utilizando a técnica de calor e tração padrão. Ela usa oxídrica chama para aquecer a fibra e duas fases motorizadas para puxar a fibra. O fluxo de gás e os movimentos de fase são controlados pelo programa de computador. Os parâmetros pré-otimizados podem ser obtidos com o fornecedor, mediante pedido especial. </li></ol></li><li> Após a fabricação, pegar a fibra cônico ao titular da nanofibras usando o epóxi curável UV. Cobrir o suporte de nanofibras utilizando a tampa superior com placa de vidro (mostrados na Figura 1A). Coloque a amostra de dentro de uma caixa limpa e transferir para a la femtosegundounidade de Ser fabricação. </li></ol> Fabrication 2. Femtosecond Laser <ol><li> Alinhamento da instalação de fabricação <ol><li> Coloque uma placa de vidro sobre a bancada de fabricação a uma altura de 15 mm. Irradiar o laser de femtosegundo por 5 s de energia de pulso de 1 mJ. Identificar o laser femtosegundo induzida ablação da geração de luz branca, e o aparecimento de padrão de ablação como uma linha de danos na placa de vidro. </li><li> Repetir o processo, alterando a altura da chapa de vidro utilizando o X-fase do banco de fabricação. Para cada fabrico, traduzir o Y-fase do banco de fabricação por 1 mm para fazer a fabricação de uma nova posição. </li><li> Encontrar a altura para o mais forte linha de ablação. Nesta posição, ajustar o ângulo de inclinação e a posição de um dos espelhos de dobragem de modo a maximizar a ablação. Além disso, ajustar a inclinação do X-fase do banco de fabricação para maximizar a ablação. NOTA: O ângulo de inclinação do espelho dobrável está sintonizado using os botões de ajuste do suporte do espelho cinemáticos e a posição do espelho é sintonizado mediante a conversão do Z-fase na qual está montada. </li><li> Depois da optimização, marcar a posição da linha de ablação no software da câmara CCD e remover a placa de vidro. NOTA: O software de controle para a câmera CCD permite a captura de imagem e marcas de desenho na imagem capturada. Também permite guardar os dados da imagem capturada e as marcações. Uma vez que o X-fase do banco de fabricação não tem de referência de posição absoluta, a imagem CCD é utilizada como a referência de posição no eixo X. A resolução da imagem CCD é de 10 mm por pixel. </li><li> Usando o -coater platina (Pt), o revestimento da placa de vidro durante 60 s para depositar uma camada de 25 nm de Pt sobre a placa de vidro. Imagem do padrão de ablação na placa de vidro usando um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Se o padrão de ablação mostra a estrutura periódica com um período de 350 nm (o padrão de interferência de franja esperada), em seguida, o aiignment é otimizado. Else repita o procedimento (do Passo 2.1.1 - 2.1.4) para as energias de pulso menores (abaixo de 300 μJ) até um padrão periódico de ablação é visto. </li></ol></li><li> Fabricação de cavidade PhC apodizada <ol><li> Coloque a fibra cónica no banco de fabricação aproximadamente paralela à linha de ablação marcado na câmara CCD. </li><li> Enviar um laser sonda (potência = 1 mW) através da fibra cônico e observar a dispersão da fibra afunilada na câmara CCD. A parte mais forte dispersão corresponde à região de nanofibras devido ao seu diâmetro subwavelength. </li><li> Traduzir o Z-fase do banco de fabricação para centrar o nanofibras para a posição da linha de ablação marcado na câmara CCD. </li><li> Desligue o laser da sonda e irradiar o laser de femtosegundo com energia de pulso mínima (&lt;10 μJ). Traduzir Y-palco para sobrepor a nanofibras com o feixe de laser de femtossegundos. A sobreposição é identificado pela iluminação do nanofibras, observed na câmara CCD. NOTA: O nanofibras está agora alinhado em relação ao feixe de laser ao longo de femtosegundo Y e eixo-Z. </li><li> A fim de alinhar o nanofibras ao longo do eixo X, X-traduzir a fase para se sobrepor à posição de nanofibras para a posição da linha de ablação marcado na câmara CCD. </li><li> Traduzir o Y-fase para maximizar a sobreposição de nanofibras com o laser de femtosegundo. Observar o reflexo das duas primeiras ordens do nanofibras (aparece como dois pontos brilhantes na placa de vidro da tampa superior). Observar o movimento desses pontos de reflexão durante a tradução do Y-estágio e para trás. NOTA: Se essas manchas avançar para um lado e depois de nanofibras não é paralela à linha de ablação. Neste caso, girar a etapa de rotação para fazer a nanofibras paralela à linha de ablação. Quando eles são paralelos, os pontos de reflexão irá aparecer como um flash. </li><li> Depois de fazer a nanofibras paralela à linha de ablação, traduzir o Y-fase para maximizar osobreposição entre o feixe de laser femtosegundo e nanofibras, através da medição da potência do laser femtosegundo espalhados nos modos de nanofibras guiado utilizando um fotodiodo no final da fibra cónica. Depois de maximizar a sobreposição, rodar a etapa de rotação ao ângulo de fabricação θ = 0,5 °. NOTA: Para obter a máxima sobreposição entre o feixe de laser de femtossegundo e nanofibras, seria de esperar que o poder da luz do laser femtosegundo espalhados nos modos de nanofibras guiada a ser maximizada. </li><li> Bloquear o laser femtosegundo com o medidor de energia e definir a energia de pulso para 0,27 mJ. Altere as configurações de laser de femtossegundos para o modo de irradiação de um único tiro. NOTA: Neste modo, apenas um único pulso é gerado quando o interruptor de incêndio é pressionado, caso contrário, não haverá saída a laser. <ol><li> Retire o medidor de energia a partir do caminho do feixe laser e disparar um único pulso de laser de femtossegundos. Isto completa o processo de fabrico. </li></ol></li></ol></li><li> Fabricatiem induzida por defeito da cavidade PhC <ol><li> Verificar o alinhamento da instalação por meio da observação da ablação numa placa de vidro, tal como descrito na secção 2.1. Depois de encontrar a altura mais forte para a linha de ablação, inserir um fio de cobre de 0,5 milímetros no centro do feixe de laser, pouco antes da fase de máscara. O fio de cobre deve estar ao longo do eixo Y (perpendicular à linha de ablação). </li><li> Verificar o padrão de ablação na placa de vidro, enquanto a mudança da posição do fio de cobre ao longo do eixo-Z. Fixar a posição do fio de cobre quando o padrão de ablação mostra uma única abertura no centro da linha de ablação. </li><li> Após o alinhamento, realizar a fabricação femtosecond laser na nanofibras seguindo o procedimento descrito na secção 2.2. Por esta fabricação, definir o ângulo da fabricação para q = 0 graus. </li></ol></li></ol> 3. caracterização das amostras Fabricadas <ol><li> A medição das propriedades ópticas <ol><li> Prepare o SETUP para as medições ópticas, tal como mostrado na Figura 1b. Inicie a fonte de luz de banda larga na fibra cónica e medir o espectro de transmissão e de reflexão antes e após o fabrico usando o analisador de espectro. Após a fabricação, o espectro de transmissão irá mostrar uma faixa de rejeição correspondente à ressonância de Bragg da amostra fabricada. </li><li> Rode as pás do polarizador de fibra em linha para selecionar a polarização e tomar os espectros de duas ortogonais polarizações X-pol e Y-pol. NOTA: Para o X-Pol (polarização ao longo das nano-crateras) a faixa de rejeição será azul-21 deslocado (na direcção do comprimento de onda mais curto) e o espalhamento da nanofibras será mais forte. Então, selecione as polarizações, olhando para o espectro ea câmera CCD. </li><li> Para uma das polarizações, tomar os espectros de transmissão por alongamento da fibra cónica utilizando o PZT (mostrado na Figura 1b). Tome os espectros por stretching a fibra cónica em passos de 2 uM até que o comprimento máximo de alongamento de 20 uM (limitados pela gama de varrimento de PZT). Observa-se que a ressonância Bragg será vermelho-deslocado (na direcção do comprimento de onda maior) por alongamento da fibra cónica. A partir destes espectros, calcular o desvio de ressonância de Bragg, por unidade de comprimento de alongamento. </li><li> Para resolver os modos de cavidade e medição da transmissão cavidade absoluta, use a fonte de laser sintonizável CW. Lançar o laser na fibra cônico e acompanhar a transmissão usando um fotodiodo. </li><li> Defina o comprimento de onda do laser para a borda do lado vermelho da faixa de rejeição para Y-pol e usar o polarizador de fibra inline para minimizar a transmissão. Desta forma, o componente X-Pol é suprimida e apenas o Y-Pol é seleccionado. Definir o comprimento de onda do laser para mais longe da do bordo da banda do lado do vermelho e gravar a transmissão durante o alongamento da fibra cónica 0-20 uM. <ol><li> Repetir a medição mudando a Wavel a laserength para azul-lado em incrementos de 0,3 nm até que toda a faixa de rejeição é coberto. A partir destes dados, reconstruir todo o espectro usando os dados para o deslocamento de ressonância por unidade de comprimento de alongamento medido no passo 3.1.3. NOTA: Para obter uma amostra típica, a faixa de rejeição (ressonância Bragg), juntamente com os modos de cavidade turnos por 2 nm por esticar a fibra cônico de 20 mm e a típica faixa espectral livre para os modos de cavidade estão entre 0,05-0,5 nm. Para um dado comprimento de onda do laser de entrada pode-se medir, pelo menos, 3 - 4 modos de cavidade por alongamento da fibra cónica. O espaçamento de frequência entre os modos é inferida a partir dos dados para a mudança de ressonância por unidade de alongamento comprimento medido na etapa 3.1.3. Repetindo a medição, alterando o comprimento de onda do laser em incrementos de 0,3 nm, pelo menos 2 - 3 modos de cavidade consecutivos são re-medida nas medições sucessivas. É possível reconstruir todo o espectro sobrepondo os dados de transmissão para as medições sucessivas enquanto matposição ching dos modos de cavidade medidos-Re. </li></ol></li><li> Agora medir o espectro para o outro polarização usando um procedimento semelhante ao mencionado nos passos 3.1.5 e 3.1.5.1. </li></ol></li><li> Imaging o amostra fabricada <ol><li> Colocar a amostra fabricada numa chapa metálica 2 cm de comprimento e fixar as duas extremidades da fibra cónica para a placa de metal usando UV epoxi curável. Verifique se o lado de irradiação da amostra enfrenta a placa de metal de modo a que o lado sombrio pode ser trabalhada. </li><li> Utilizar a Pt-revestidor para o revestimento da amostra durante 30 s e depositar uma camada de Pt com uma espessura de cerca de 10 nm. Colocar a amostra para o SEM. Pegue a imagem SEM da amostra a cada 0,1 mm em toda a região fabricada. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

O efeito lensing do nanofibras desempenha um papel importante na técnica de fabricação, criando assim nano-crateras na superfície da sombra do nanofibras (mostrado na Figura 2). O efeito lensing do nanofibras também faz com que o processo de fabricação robusta para quaisquer instabilidades mecânicas na direcção transversal (eixo Y). Além disso, devido à irradiação de um único tiro, as instabilidades junto dos outros eixos não afectam a fabricação como o tempo de irradiação é de apenas 120 FS (ou sej...

confinamento forte de luz em dispositivos nanophotonic abriu novas fronteiras da ciência óptica. Tecnologias de nanofabricação modernas têm permitido a fabricação de 1-D e 2-D cristal fotônico (APS) cavidades para novas perspectivas no lasing 1, sentindo 2 e aplicações de comutação óptica 3. Além disso, a forte interação da luz com a matéria nestas cavidades APS, abriu novos caminhos para a ciência da informação quântica 4. Além de cavidades APS, nanocavidades plasmonic também mostraram perspectivas promissoras 5, 6, 7. No entanto, a interface dessas cavidades para rede de comunicação à base de fibras permanece um desafio. Nos últimos anos, de modo único de fibra óptica afunilada com um diâmetro subwavelength, conhecido como nanofibras óptico, emergiu como um dispositivo nanophotonic promissora. Devido à forteconfinamento transversal do campo de nanofibras guiado e a capacidade de interagir com o meio circundante, o nanofibras é amplamente investigados e adaptada para várias aplicações nanophotonic 8. Além disso, ele também é fortemente investigada e implementada para a manipulação quântica da luz e da matéria 9. Acoplamento eficiente de emissão dos emissores quântica como, único alguns átomos / refrigerado a laser e pontos quânticos individuais, para os modos de nanofibras guiada tem sido estudado e demonstrado 10, 11, 12, 13, 14, 15. A interação da luz com a matéria em nanofibras pode ser significativamente melhorada através da implementação de estrutura de cavidade PhC na nanofibras 16, 17. A vantagem chave para suito um sistema é a tecnologia de fibra em-linha que pode ser facilmente integrado a rede de comunicação. Transmissão de luz de 99,95% através da nanofibras cônico tem sido demonstrada 18. No entanto, a transmissão de nanofibras é extremamente susceptível a poeira e contaminação. Portanto, a fabricação da estrutura PhC em nanofibras utilizando a técnica de nanofabricação convencional não é muito proveitosa. Embora fabricação cavidade em nanofibras de moagem usando Focused Ion Beam (FIB) foi demonstrada 19, 20, a qualidade óptica e reprodutibilidade não é tão elevado. Neste protocolo de vídeo, apresentamos uma técnica de 21, 22 recentemente demonstrado para fabricar cavidades APS em nanofibras usando ablação a laser de femtossegundos. As formações são realizadas através da criação de um padrão de interferência de dois feixes de laser femtosegundo no nanofibras e IRRADiating um único pulso de laser de femtossegundos. O efeito lensing do nanofibras desempenha um papel importante na viabilidade de tais técnicas, criando crateras de ablação na superfície da sombra do nanofibras. Para uma amostra típica, periódicos nano-crateras com um período de 350 nm e com um diâmetro variando gradualmente 50-250 nm ao longo de um comprimento de 1 mm são fabricados sobre um nanofibras com diâmetro em torno de 450-550 nm. Esses nano-crateras periódicos sobre nanofibras, agir como um 1-D APS. Nós também apresentamos um método para controlar o perfil da matriz de nano-cratera para fabricar cavidades PHC apodizada e induzida por defeitos na nanofibras. Um aspecto chave de tais nanofabrication é a fabricação de todos os isómeros ópticos, de modo que a alta qualidade óptica pode ser mantida. Além disso, a fabricação é feita por irradiação de apenas um único pulso de laser femtosegundo, tornando a técnica imunológica a instabilidades mecânicas e outras imperfeições de fabrico. Além disso, este permite a produção in-house da APS nanocavidade de fibra de modo a que a probabilidade de contaminação pode ser minimizada. Este protocolo destina-se a ajudar os outros a implementar e adaptar este novo tipo de técnica de nanofabricação. A Figura 1a mostra o diagrama esquemático da instalação de fabrico. Os detalhes dos procedimentos de configuração fabricação e alinhamento são discutidos em 21, 22. Um laser de femtosegundo com 400 nm de comprimento de onda do centro e 120 fs largura de pulso é incidente em uma máscara de fase. A máscara de fase divide o feixe de laser femtosegundo em a 0 e ± 1 ordens. Um bloco de feixe é usado para bloquear o feixe de 0-fim. Os espelhos rebatíveis simetricamente recombinar os ± 1-encomendas na posição de nanofibras, para criar um padrão de interferência. O passo da máscara de fase é de 700 nm, de modo que o padrão de interferência tem um passo (Λ L) de 350 nm. A lente cilíndrica foca o feixe de laser femtosegundo ao longo da nanofibras. O tamanho do feixe entre (eixo Y)e ao longo (eixo Z) do nanofibras é de 60 um e 5,6 mm, respectivamente. A fibra cónica está montado sobre um suporte equipado com piezo actuador (PZT) para esticar a fibra. Uma tampa de topo com a placa de vidro é usado para proteger o nanofibras a partir de pó. O titular com a fibra cônico é fixo em um banco de fabricação equipado com tradução (XYZ) e estágios de rotação (θ). O θ-fase permite a rotação da amostra de nanofibras no plano yz. O X-estágio também pode controlar os ângulos de inclinação ao longo XY e XZ-avião. Uma câmara CCD é colocada a uma distância de 20 cm do nanofibras e a um ângulo de 45 ° no plano XY para monitorizar a posição de nanofibras. Todos os experimentos são realizados dentro de uma cabine limpo equipado com filtros HEPA (High Efficiency Particulate prender) para alcançar condições livre de poeira. condição de livre de poeira é essencial para manter a transmissão do nanofibras. figura 1b mostra o esquema das medições ópticas. Durante o fabrico, as propriedades ópticas são brevemente monitorizada através do lançamento de uma banda larga (gama de comprimento de onda: 700-900 nm) fonte de luz acoplado à fibra para a fibra cónica e medindo o espectro da luz transmitida e reflectida utilizando analisador de espectro de alta resolução. A fonte de laser CW sintonizável é usado para resolver adequadamente os modos de cavidade e para medir a transmissão cavidade absoluta. Nós apresentamos o protocolo para a fabricação e caracterização. A seção de protocolo é dividido em três subseções, preparação de nanofibras, femtosegundo de fabricação a laser e caracterização das amostras fabricadas.

<table><tbody><tr><td>Femtosegundo Laser</td><td>Coerente Inc.</td><td>Máscara de Fase Libra HE</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Ibsen Photonics</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Optial Nanofiber Manufacturing Equipment&nbsp; &nbsp;</td><td>Ishihara Sangyo</td><td>ONME</td><td></td></tr><tr><td>ADC Card</td><td>PicoTech</td><td>ADC-24</td><td></td></tr><tr><td>Fibra monomodo</td><td>Fujikura</td><td>FutureGuide-SM</td><td></td></tr><tr><td>Fonte de banda larga</td><td>NKT Photonics</td><td>SuperK EXTREME</td><td></td></tr><tr><td>CW Laser</td><td>Sintonizável Coherent Inc.</td><td>MBR-110</td><td></td></tr><tr><td>Analisador de espectro (espectro de transmissão)</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>Nicolet 8700</td><td></td></tr><tr><td>Analisador de espectro (espectro de reflexão)</td><td>Óptica oceânica</td><td>QE65000</td><td></td></tr><tr><td>câmera CCD</td><td>Thorlabs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>medidor de potência</td><td>Thorlabs</td><td>D3MM</td><td></td></tr><tr><td>Pt-Coater</td><td>Vacuum Device Inc.</td>Microscópio eletrônico de varredura <td>MSP-1S</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Keyence</td><td>VE-9800</td><td></td></tr><tr><td>Epóxi curável por UV</td><td>NTT-AT</td><td>AT8105</td><td></td></tr><tr><td>Fotodiodo</td><td>ThorLabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Limpeza de sala limpa</td><td>TExWipe</td><td>TX-404</td><td></td></tr><tr><td>Descascador de revestimento de fibra</td><td>NTT-AT</td><td>Pinças de fibra 250 &mu; m&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Vidro de cobertura</td><td>Matsunami Glass IND,LTD</td><td>NEO micro vidro de cobertura 0.12-0.17 mm&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PZT</td><td>NOLIAC</td><td>NAC 2011-H20</td><td></td></tr><tr><td>Lente cilíndrica estágio</td><td>NewPort</td><td>M-481-A&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Y, Z estágios</td><td>Chuo Precision Industrial Co., LTD.</td><td>LD-149-C7</td><td></td></tr><tr><td>Estágio de rotação</td><td>SIGMA KOKI</td><td>KSPB-1026MH</td><td></td></tr><tr><td>Z-stage(1), Z-stage(2)</td><td>NewPort</td><td>M-460P&nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricação de 1-d cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser femtosegundo

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de 1-D cristal fotônico (APS) cavidades em subwavelength de diâmetro fibras ópticas afiladas, nanofibras ópticos, usando a ablação induzida por laser de femtossegundos. Mostramos que milhares de nano-crateras periódicas são fabricados em uma nanofibras óptica por irradiação com apenas um único pulso de laser de femtossegundos. Para uma amostra típica, periódicos nano-crateras com um período de 350 nm e com um diâmetro variando gradualmente 50-250 nm ao longo de um comprimento de 1 mm são fabricados sobre um nanofibras com diâmetro em torno de 450-550 nm. Um aspecto fundamental de um tal nanofabrication é que o próprio nanofibras actua como uma lente cilíndrica e foca o feixe de laser femtosegundo na sua superfície sombra. Além disso, a fabricação de um único tiro torna imune a instabilidades mecânicas e outras imperfeições de fabricação. Esses nano-crateras periódicos sobre nanofibras, agir como um 1-D CSP e permitir a reflexão forte e de banda larga, mantendo a alta transmissão para fora da faixa de rejeição. Nós também apresentamos um método para controlar o perfil da matriz de nano-cratera para fabricar cavidades PHC apodizada e induzida por defeitos na nanofibras. A forte confinamento do campo, tanto transversal e longitudinal, nas cavidades com base na APS nanofibras ea integração eficiente para as redes de fibra, pode abrir novas possibilidades para aplicações nanophotonic e ciência da informação quântica.

A Figura 2 mostra a imagem de SEM de um segmento típica da amostra de nanofibras fabricada. Ele mostra que periódicas nano-crateras são formadas no lado da sombra do nanofibras, com uma periodicidade de 350 nm que corresponde bem com o padrão de interferência. A inserção mostra a vista ampliada da amostra. A forma dos nano-crateras é quase circular, e o diâmetro de um nano-cratera típica é de cerca de 210 nm. ...

Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de cavidades de cristal fotônico 1-D em fibras de sílica de diâmetro subwavelength (nanofibras ópticos) usando a ablação induzida por laser de femtossegundos.

Fabricação de 1-D cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser femtosegundo

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar a fabricação óptica de uma cavidade de cristal fotônico unidimensional em uma fibra óptica afunilada com diâmetro de resíduo sub-ondulatório. O ponto-chave do nosso método é a fabricação de milhares de nanocriadores empíricos ou de uma nanofibra, mas acredito que seja apenas uma única parte a laser, e a nanoestrutura criada atua eventualmente como uma cavidade de cristal fotônico unidimensional, o que pode abrir novas possibilidades para a nanofotônica e a ciência da informação quântica. Um aspecto essencial deste trabalho é que a nanofibra em si atua como uma lente cilíndrica e focaliza o feixe de laser sobre sua superfície lateral.Além disso, a distinção na fabricação torna-o imune a instabilidades mecânicas ou a quaisquer outras imperfeições de fabricação. A leitura de voz é um procedimento com Jameesh Keloth, um estudante de pós-graduação do meu laboratório. As nanofibras para a fabricação serão produzidas utilizando um dispositivo comercial.A fibra é aquecida com uma chama oxi-hidrogênio proveniente deste bico. A fibra é puxada por estágios motorizados para produzir uma seção afunilada. Um computador monitora a transmissão através da fibra utilizando dados de entrada de um laser sonda e um fotodiodo.A nanofibra será feita a partir de um segmento de fibra óptica monomodo, com cerca de 210 milímetros de comprimento. A produção da nanofibra exigirá outro equipamento. Para começar, tenha um descarnador de revestimento de fibra, uma fonte de metanol e lenços para sala limpa.Além disso, tenha um reservatório de acetona no qual a fibra monomodo possa ser imersa. Para evitar que poeira se acumule na nanofibra, esteja preparado para isolá-la rapidamente. Para este experimento, a nanofibra será montada neste suporte de nanofibra utilizando epóxi curável por UV.O suporte pode ser fechado usando a tampa superior com placa de vidro. Comece com o comprimento da fibra monomodo e use a fita removedora de revestimento da fibra para remover cinco milímetros da jaqueta de polímero de cada extremidade. Mergulhe um lenço de sala limpa em metanol e use-o para limpar as extremidades.Em seguida, imergir a fibra entre as duas extremidades no reservatório de acetona. Mantenha-a ali por 10 a 15 minutos até que a bainha da fibra se solte. Quando a bainha da fibra tiver se soltado, retire a fibra da acetona e limpe toda a fibra com um pano de sala limpa embebido em metanol.Para as próximas etapas, leve a fibra até o dispositivo comercial de nanofibras. Essa fibra é montada nos acionamentos motorizados e fica pronta para o início da fabricação. Feche o dispositivo e inicie o laser de sonda para monitorar a transmissão.Utilize um software para acender a chama, carregar os parâmetros e iniciar a fabricação. Após a conclusão da fabricação, leve o suporte de nanofibras com epóxi até o dispositivo. Fixe a fibra em ambos os lados do afunilamento utilizando epóxi curável por UV.Uma vez que a fibra esteja no lugar, cubra o suporte de nanofibras com a tampa superior. Coloque a amostra em uma caixa limpa para transferi-la até a montagem do experimento. Esta é a configuração para a fabricação a laser de femtosegundo.Está dentro de uma cabine limpa com filtros hepa. Um feixe de laser entra por cima de uma lente cilíndrica. O suporte para nanofibras será colocado sobre uma plataforma para translação em X Y Z e outra para rotação.Este esquema fornece uma ideia mais clara do aparelho. A luz do laser passa por uma lente cilíndrica. Em seguida, atinge uma máscara de fase com um passo de 700 nanômetros.A máscara de fase divide o feixe em ordens zero, mais um e menos um. A ordem zero é bloqueada, mas as ordens mais um e menos um são refletidas por espelhos dobradores. Os espelhos colocados simetricamente levam à criação de um padrão de interferência na nanofibra em seu suporte.Um fotodiodo permite o monitoramento da luz na fibra. Uma câmera CCD é usada para monitorar a posição da nanofibra. O conjunto de montagem do laser deve ser alinhado.Isso exige o uso de uma placa de vidro que pode ser ablacionada pelo laser. Coloque a placa de vidro na bancada de fabricação. Com o estágio de translação, ajuste a altura da bancada para 15 milímetros e, em seguida, use o laser para irradiar o vidro por cinco segundos com uma energia de pulso de um milijoule.Utilize a câmera CCD para observar a placa e identificar a ablação induzida pelo laser. Uma linha danificada pode ser vista no vidro com o padrão de ablação. Altere a posição horizontal do vidro em um milímetro para permitir uma nova ablação.Após isso, altere a altura da superfície de vidro para testar a resistência da ablação em uma nova posição. Irradie a placa de vidro novamente por cinco segundos com uma energia de pulso de um milijoule. Em seguida, avalie os danos na placa de vidro.Como aconteceu com esta placa de vidro, ajuste a altura do vidro e ablate uma nova região até que a linha de ablação mais forte seja identificada. Com o estágio na altura associada à linha de ablação mais forte, ajuste com precisão o ângulo dos espelhos e do estágio para maximizar ainda mais a ablação. Após essa otimização, acesse o software da câmera CCD.Utilize o software para marcar a posição da linha de ablação no campo de visão. Remova a placa de vidro para testar a estrutura periódica da ablação. Para obter uma imagem do padrão, utilize um microscópio eletrônico de varredura.O padrão deve mostrar uma estrutura periódica com um período de 350 nanômetros. Caso contrário, repita as etapas de alinhamento. Inicie na bancada de fabricação alinhada.Tenha pronto um fibra afunilada adequadamente fabricada em seu suporte. Monte o suporte da fibra e acople a fibra a um laser sonda. Para estar corretamente alinhada, a fibra deve estar aproximadamente paralela à linha de ablação marcada no software do CCD.Continue enviando um laser sonda através da fibra afunilada e use a câmera CCD para observar o espalhamento. Utilize o estágio de translação para mover a fibra ao longo de seu comprimento e centralizá-la na linha de ablação. Agora, use o laser de femtosegundo com a energia de pulso mínima.Translade a fibra no plano horizontal para sobrepor ao feixe do laser de femtosegundo. Em seguida, translade a fibra no plano vertical para alinhar sua posição com a linha de ablação. Novamente, translade no plano horizontal para maximizar a sobreposição com o laser de femtosegundo.Enquanto movimenta a platina para frente e para trás, observe o vidro na tampa superior do suporte de fibra em busca dos reflexos de primeira e segunda ordem provenientes da fibra. Se os pontos brilhantes se moverem ao longo da linha, a nanofibra não está paralela à linha de ablação e a platina de rotação deve ser ajustada. Se os pontos aparecerem de forma instantânea, isso indica que a nanofibra está paralela à linha de ablação e que a platina de rotação não necessita de ajuste.Quando a nanofibra estiver paralela à linha de ablação, desligue o laser de sonda e meça a potência através da fibra com o fotodiodo. Use o estágio de translação para ajustar a fibra no plano horizontal. O objetivo dos ajustes é maximizar a potência medida dispersa pelo laser de femtosegundo.Quando concluído, use a plataforma de rotação para girar a fibra até o ângulo de rotação. Em seguida, pegue o medidor de potência e use-o para bloquear o feixe a laser de femtosegundo. Ajuste a energia do pulso para que o medidor indique zero vírgula vinte e sete mili joules.Altere a configuração do laser de femtosegundo para disparo único antes de remover o medidor do trajeto do laser. Conclua a fabricação disparando um único pulso de laser de femtosegundo. Inicie a fabricação com um sistema alinhado.Além disso, providencie um fio suspenso acima da lente cilíndrica. Este fio de cobre de zero vírgula cinco milímetros é sustentado por um suporte. O suporte é montado em uma plataforma de translação para permitir posicionar o fio no feixe do laser.Certifique-se de ajustar a altura da placa de vidro para o local onde foi encontrada a linha de ablação mais intensa. Em seguida, insira o fio no centro do feixe laser e perpendicularmente à linha de ablação. Observe a sombra do fio e tente posicioná-lo no centro do padrão de ablação.Em seguida, utilize um pulso a laser de femtosegundo para produzir um padrão de ablação na placa de vidro. Verifique o padrão de ablação na placa de vidro para verificar se o fio produz uma lacuna em seu centro. Caso contrário, mova o fio de cobre para o centro e ablate uma nova seção da placa de vidro.Repita até que a lacuna esteja no centro do padrão de ablação. Antes de continuar, fixe o fio no lugar travando seu estágio de translação. Em seguida, remova a placa de vidro da plataforma de fabricação.Obtenha o suporte da fibra com a fibra montada e instale-o no conjunto de fabricação. Aqui, o suporte está posicionado e a fibra está acoplada a um laser sonda. Envie um pulso de laser sonda através da fibra.Deve estar aproximadamente paralela à linha de ablação registrada no software CCD. Translade o estágio ao longo do comprimento da fibra para centralizar a nanofibra na linha de ablação antes de desligar a sonda. Ligue o pulso de femtosegundo e mova a fibra no plano horizontal perpendicular ao seu comprimento, com o objetivo de maximizar a sobreposição entre a fibra e o pulso do laser de femtosegundo.Verifique medindo a potência da luz espalhada com o fotodiodo. Após maximizar a sobreposição, ajuste o ângulo de fabricação. Agora, use o medidor de potência para bloquear o laser de femtosegundo.Em seguida, ajuste a energia do pulso para zero vírgula dois sete mili joules e altere a configuração do laser de femtosegundo para disparo único. Remova o medidor de potência do trajeto do laser e dispare um único pulso de laser de femtosegundo para concluir a fabricação. Esta imagem de microscopia eletrônica de varredura é de um segmento típico de uma amostra de nanofibra fabricada.As nanoescavidades são formadas no lado de sombra da fibra. As nanoescavidades são quase circulares, com diâmetro de cerca de 210 nanômetros. Nesta amostra, a periodicidade é de 350 nanômetros.Este espectro de transmissão da cavidade de cristal protônico apodizado é para luz polarizada perpendicularmente às faces dos nanocrateres. O espectro mostra uma região de banda proibida de aproximadamente 794 a 799 nanômetros, na qual a transmissão é de apenas alguns por cento. Compare este resultado com o espectro de transmissão da luz polarizada paralelamente às faces dos nanocrateres.Ele também possui uma banda de parada, mas em comprimentos de onda mais longos, de aproximadamente 796 a 803 nanômetros. Ambos os espectros apresentam picos que correspondem aos modos da cavidade. Os espectros de transmissão provenientes dos mesmos modos de polarização nas cavidades de cristal fotônico com defeito induzido exibem comportamento semelhante.Nesses casos, os modos da cavidade estão em ambos os lados da banda proibida. Observe que o espaçamento entre os modos da cavidade em comprimentos de onda mais curtos é muito maior do que em comprimentos de onda maiores. Esse método de fabricação óptica em único disparo é imune a instabilidades mecânicas, garantindo a qualidade da categoria, e essa técnica de fabricação pode ser implementada para produzir diversos dispositivos nanofotônicos a partir de nanofibras e pode ser adaptada a outros processos de nanofabricação.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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