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

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.

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar a fabricação óptica de uma cavidade de cristal fotônico unidimensional em uma fibra óptica cônica com um resíduo de diâmetro de comprimento de onda inferior. O ponto-chave do nosso método é fabricar nanocriadores de mil empíricos ou uma nanofibra, mas acho que é apenas uma única peça de laser e a nanoestrutura criada eventualmente atua como uma cavidade de cristal fotônico unidimensional que pode abrir novas possibilidades para nanofotônica e ciência da informação quântica. Um aspecto essencial deste trabalho é que a própria nanofibra atua como uma lente cilíndrica e focaliza o feixe de laser em sua superfície lateral.

Além disso, distinguir a fabricação a torna imune a quaisquer instabilidades mecânicas ou quaisquer outras imperfeições de fabricação. A leitura da voz é um procedimento com Jameesh Keloth, um estudante de pós-graduação do meu laboratório. As nanofibras para a fabricação serão produzidas usando um dispositivo comercial.

A fibra é aquecida com uma chama de oxohidrogênio deste bico. A fibra é trefilada por estágios motorizados para produzir uma seção cônica. Um computador monitora a transmissão através da fibra usando a entrada de um laser de sonda e fotodiodo.

A nanofibra será feita de um comprimento de fibra ideal de modo único, com cerca de 210 milímetros de comprimento. A produção da nanofibra exigirá outros equipamentos. Para começar, tenha um removedor de revestimento de fibra, uma fonte de metanol e lenços umedecidos para salas limpas.

Além disso, tenha um reservatório de acetona no qual a fibra monomodo possa ser imersa. Para evitar que a poeira se acumule na nanofibra, esteja preparado para isolá-la rapidamente. Para este experimento, a nanofibra será montada neste suporte de nanofibra usando epóxi curável por UV.

O suporte pode ser fechado usando a tampa superior de vidro. Comece com o comprimento da fibra monomodo e use o decapante de revestimento de fibra para remover cinco milímetros da jaqueta de polímero de cada extremidade. Mergulhe um lenço umedecido em metanol e use-o para limpar as pontas.

Em seguida, mergulhe a fibra entre as duas extremidades no reservatório de acetona. Mantenha-o lá por 10 a 15 minutos até que a jaqueta de fibra caia. Quando a jaqueta de fibra cair, remova a fibra da acetona e limpe toda a fibra com um pano limpo embebido em metanol.

Para as próximas etapas, leve a fibra para o dispositivo comercial de nanofibra. Esta fibra é montada nos acionamentos motorizados e pronta para o início da fabricação. Feche o dispositivo e inicie o laser da sonda para monitorar a transmissão.

Use o software para acender a chama, carregar os parâmetros e iniciar a fabricação. Após a conclusão da fabricação, leve o suporte de nanofibra com epóxi ao dispositivo. Prenda a fibra em ambos os lados do cone usando epóxi curável por UV.

Assim que a fibra estiver no lugar, cubra o suporte de nanofibra com a tampa superior. Coloque a amostra em uma caixa limpa para transferi-la para a configuração do experimento. Esta é a configuração para a fabricação de laser de femtossegundo.

Está dentro de uma cabine limpa com filtros hepa. Um feixe de laser entra por cima de uma lente cilíndrica. O suporte de nanofibra ficará em cima de um palco para translação XYZ e outro para rotação.

Este esquema fornece uma ideia mais clara do aparelho. A luz do laser passa através de uma lente cilíndrica. Em seguida, atinge uma máscara de fase com um passo de 700 nanômetros.

A máscara de fase divide o feixe em zero e mais e menos uma ordem. A ordem zero é bloqueada, mas as ordens mais menos um refletem dos espelhos dobráveis. 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. A configuração de fabricação a laser deve estar alinhada.

Isso requer 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 erradicar o vidro por cinco segundos a uma energia de pulso de um milijoules.

Use a câmera CCD para observar a placa e identificar a ablação induzida por 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.

Depois disso, altere a altura da superfície do vidro para testar a resistência da ablação em uma nova posição. Irradiar novamente a placa de vidro durante cinco segundos com uma energia de pulso de um milijoules. Em seguida, avalie o dano da placa de vidro.

Como aconteceu com esta placa de vidro, ajuste a altura do vidro e faça ablação de uma nova região até que a linha de ablação mais forte seja identificada. Com o palco na altura associada à linha de ablação mais forte, ajuste o ângulo dos espelhos e o estágio para maximizar ainda mais a ablação. Após essa otimização, vá para o software da câmera CCD.

Use o software para marcar a posição da linha de ablação no campo de view. Remova a placa de vidro para testar a estrutura periódica da ablação. Para obter imagens do padrão, use 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. Comece na bancada de fabricação alinhada.

Tenha pronta uma fibra cônica devidamente fabricada em seu suporte. Monte o suporte de fibra e acople a fibra a um laser de sonda. Para ser alinhada corretamente, a fibra deve estar aproximadamente paralela à linha de ablação marcada no software CCD.

Continue enviando um laser de sonda através da fibra cônica e usando a câmera CCD para observar a dispersão. Use 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 femtossegundo com a energia de pulso mínima.

Traduza a fibra no plano horizontal para se sobrepor ao feixe de laser de femtossegundo. Em seguida, translade a fibra no plano vertical para sobrepor sua posição com a linha de ablação. Novamente, traduza no plano horizontal para maximizar a sobreposição com o laser de femtossegundo.

Ao translar o estágio para frente e para trás, observe o vidro na tampa superior do suporte de fibra para os dois primeiros reflexos de ordem da fibra. Se os pontos brilhantes se moverem ao longo da linha, a nanofibra não é paralela à linha de ablação e o estágio de rotação deve ser girado. Se as manchas aparecerem em um piscar de olhos, isso indica que a nanofibra está paralela à linha de ablação e o estágio de rotação não precisa de ajuste.

Quando a nanofibra estiver paralela à linha de ablação, desligue o laser da sonda e meça a potência através da fibra com o fotodiodo. Use o estágio de tradução para ajustar a fibra no plano horizontal. O objetivo dos ajustes é maximizar a potência medida espalhada pelo laser de femtossegundo.

Quando terminar, use o estágio de rotação para girar a fibra até o ângulo de rotação. Em seguida, pegue o medidor de energia e use-o para bloquear o feixe de laser de femtossegundo. Ajuste a energia de pulso para que o medidor leia zero vírgula dois sete milijoules.

Altere a configuração do laser de femtossegundo para disparo único antes de remover o medidor do caminho do laser. Complete a fabricação disparando um único pulso de laser de femtossegundo. Comece a fabricação com uma configuração alinhada.

Além disso, providencie para que um fio seja apoiado acima da lente cilíndrica. Este fio de cobre de cinco milímetros de ponto zero é suportado por um poste. O poste é montado em um estágio de tradução para permitir o posicionamento do fio no feixe de laser.

Certifique-se de definir a altura da placa de vidro para onde a linha de ablação mais forte foi encontrada. Em seguida, insira o fio no centro do feixe de laser e perpendicular à linha de ablação. Observe a sombra do fio e tente posicioná-lo no centro do padrão de ablação.

Em seguida, use um pulso de laser de femtossegundo para produzir um padrão de ablação na placa de vidro. Verifique o padrão de ablação na placa de vidro para ver se o fio produz uma lacuna em seu centro. Caso contrário, mova o fio de cobre para o centro e remova 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 tradução. Em seguida, remova a placa de vidro da plataforma de fabricação.

Obtenha o suporte de fibra com sua fibra montada e instale-o na configuração de fabricação. Aqui, o suporte está no lugar e a fibra é acoplada a um laser de sonda. Envie um pulso de laser de sonda através da fibra.

Deve ser aproximadamente paralelo 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 femtossegundo e translade a fibra no plano horizontal perpendicular ao seu comprimento com o objetivo de maximizar a sobreposição da fibra com o pulso de laser de femtossegundo.

Verifique medindo a potência da luz espalhada com o fotodiodo. Depois de maximizar a sobreposição, defina o ângulo de fabricação. Agora, use o medidor de energia para bloquear o laser de femtossegundo.

Em seguida, ajuste a energia do pulso para que seja zero vírgula dois sete milijoules e altere a configuração do laser de femtossegundo para disparo único. Remova o medidor de potência do caminho do laser e dispare um único pulso de laser de femtossegundo para concluir a fabricação. Esta imagem de microscópio eletrônico de varredura é de um segmento típico de uma amostra de nanofibra fabricada.

As nanocrateras são formadas no lado sombrio da fibra. As nanocrateras são quase circulares com o diâmetro de cerca de 210 nanômetros. Nesta amostra, a periodicidade é de 350 nanômetros.

Este espectro de transmissão da cavidade de cristal protônico apodizada é para luz polarizada perpendicularmente às faces da nanocratera. O espectro mostra uma região de banda de parada de cerca de 794 a 799 nanômetros na qual a transmissão é de apenas alguns por cento. Compare isso com o espectro de transmissão da luz polarizada paralelamente às faces da nanocratera.

Ele também tem uma banda de parada, mas em comprimentos de onda mais longos, de aproximadamente 796 a 803 nanômetros. Ambos os espectros têm picos que correspondem aos modos de cavidade. Os espectros de transmissão dos mesmos modos de polarização nas cavidades de cristal fotônico induzidas por defeito mostram comportamento semelhante.

Nesses casos, os modos de cavidade estão em ambos os lados da banda de parada. Observe que o espaçamento do modo de cavidade em comprimentos de onda mais curtos é muito maior do que em comprimentos de onda maiores. Este método de fabricação óptica de disparo único é imune a instabilidades mecânicas garantindo a altura da categoria e esta técnica de fabricação pode ser implementada para fazer vários dispositivos nanofotônicos a partir de nanofibras e pode ser adaptada a outros processos de nanofabricação.