Summary
אנו מציגים פרוטוקול עבור בודה חללים גבישים פוטוניים 1-D על סיבי סיליקה בקוטר subwavelength (nanofibers אופטי) באמצעות אבלציה לייזר המושרה femtosecond.
Abstract
אנו מציגים פרוטוקול עבור בודה 1-D פוטוניים קריסטל (PHC) חללים על סיבים אופטיים מחודדות בקוטר subwavelength, nanofibers אופטי, באמצעות אבלציה לייזר המושרה femtosecond. אנו מראים כי אלפי מכתשי ננו תקופתי מיוצרים על nanofiber אופטי על ידי הקרנת רק עם דופק לייזר femtosecond יחיד. עבור מדגם טיפוסי, מכתשים-ננו תקופתיים עם תקופה של 350 ננומטר עם קוטר משתנה בהדרגה מ 50 - 250 ננומטר לאורך של 1 מ"מ מיוצרים על nanofiber עם קוטר כ -450 - 550 ננומטר. היבט מרכזי של nanofabrication כזו היא כי nanofiber עצמו פועל כעדשה גלילי וממקדת קרן לייזר femtosecond על משטח הצל שלה. יתר על כן, ייצור יחיד ירה עושה את זה חסין מפני אי יציבות מכאנית ופגמי ייצור אחרים. ננו-מכתשים תקופתיים על nanofiber, לשמש PHC 1-D ולאפשר השתקפות חזקה בפס רחב תוך שמירה על השידור הגבוה מתוך stopband. כמו כן, אנו מציגים שיטה לשלוט הפרופיל של מערך ננו-המכתש לפברק apodized ו-induced פגמו חללי PHC על nanofiber. הכליאה החזקה של השדה, הן רוחבית אורך ורוחב, בתוך חללי PHC מבוסס nanofiber ואת האינטגרציה היעילה לרשתות הסיבים, עשויה לפתוח אפשרויות חדשות עבור יישומי nanophotonic ומדע מידע קוונטי.
Introduction
כליאה חזקה של אור במכשירי nanophotonic פתחה אופקים חדשים במדע אופטי. טכנולוגיות nanofabrication מודרניות אפשרו ייצור של 1-D ו 2-D פוטוניים קריסטל (PHC) חורים בתור לקוחות פוטנציאליים חדשים ב lasing 1, חישת 2 ויישומי מיתוג אופטיים 3. יתר על כן, אינטראקציה אור-משנה חזקה חללים PHC אלה פתחה אפיקים חדשים למדע מידע קוונטי 4. מלבד עששת PHC, nanocavities plasmonic הראה גם 5 תחזיות מבטיחות, 6, 7. עם זאת, התממשקות חללים כאלה לרשת תקשורת מבוססת סיבים עדיין מהווה אתגר.
בשנים האחרונות, סיב אופטי במצב יחיד מחודד עם קוטר subwavelength, המכונה nanofiber האופטי, התפתח כהתקן nanophotonic מבטיח. בשל חזקכליאה רוחבית של השדה מודרך nanofiber ואת היכולת ליצור אינטראקציה עם המדיום שמסביב, nanofiber מותאם נרחבת וחקר ליישומי nanophotonic שונים 8. חוץ מזה, הוא גם נחקר בחום ויושם מניפולציה הקוונטי של אור וחומר 9. צימוד יעיל של פליטה מ קרינת קוונטים כמו, אטומי ליזר מקורר יחידים / מעטי נקודות קוונטיות יחידות, לתוך מצבי מודרך nanofiber נחקר והפגין 10, 11, 12, 13, 14, 15. האינטראקציה אור-משנה על nanofiber ניתן לשפר באופן משמעותי על ידי יישום מבנה חלל PHC על nanofiber 16, 17.
היתרון העיקרי עבור such מערכת היא סיב-ב-קו הטכנולוגיה אשר ניתן לשלב בקלות לרשת תקשורת. העברת אור של 99.95% דרך nanofiber המחודדת הודגמה 18. עם זאת, משמעות הדבר ששידור nanofiber רגיש מאוד אבק וזיהום. לכן, ייצור של מבנה PHC על nanofiber באמצעות טכניקת nanofabrication קונבנציונלית אינו פורה מאוד. למרות ייצור חלל על nanofiber באמצעות אלומת יונים ממוקדת (FIB) טחינה הודגם 19, 20, האיכות האופטית השחזור הוא לא גבוה.
בפרוטוקול הווידאו הזאת, אנו מציגים טכניקה 21 הוכיחו לאחרונה, 22 לפברק חללים PHC על nanofiber באמצעות אבלציה לייזר femtosecond. הבדיות מבוצעות על ידי יצירת תבנית ההתאבכות שני-קרן הלייזר femtosecond על nanofiber ו irradiating דופק לייזר femtosecond יחיד. ההשפעה של עידוש nanofiber ממלאת תפקיד חשוב ביכולת המימוש של טכניקות כגון, יצירת מכתשים אבלציה על פני השטח בצל nanofiber. עבור מדגם טיפוסי, מכתשים-ננו תקופתיים עם תקופה של 350 ננומטר עם קוטר משתנה בהדרגה מ 50 - 250 ננומטר לאורך של 1 מ"מ מיוצרים על nanofiber עם קוטר כ -450 - 550 ננומטר. ננו-מכתשים תקופתיים על nanofiber, לשמש PHC 1-D. כמו כן, אנו מציגים שיטה לשלוט הפרופיל של מערך ננו-המכתש לפברק apodized ו-induced פגמו חללי PHC על nanofiber.
היבט מרכזי של nanofabrication כזה הוא ההמצאה האופטית הכל, כך איכות אופטית גבוהה יכולה להישמר. יתר על כן, הייצור נעשה על ידי ההקרנה של רק דופק ליזר femtosecond אחת, מה שהופך את חיסון הטכניקה אי יציבות מכאנית ופגמי ייצור אחרים. כמו כן זה מאפשר in-house ייצור של ננו PHCחלל סיבים כך ההסתברות של זיהום ניתן למזער. פרוטוקול זה נועד לעזור לאחרים ליישם ולהתאים לסוג חדש זה של טכניקת nanofabrication.
איור 1 א מציג את תרשים סכמטי של ההתקנה ייצור. הפרטים של הליכי ההתקנה ויישור ייצור נדונים 21, 22. ליזר femtosecond עם 400 אורך גל מרכז ננומטר רוחב הפולס 120 FS הוא אירוע על מסכת שלב. מסכת השלב מפצלת את קרן ליזר femtosecond ב ל 0 ו ± 1 הזמנות. זינוק קרן משמש כדי לחסום את הקורה 0 מסדר. המראות מתקפלות באופן סימטרי ולשלב מחדש את ± 1 הזמנות במיקום nanofiber, ליצור תבנית התאבכות. ההגשה של מסכת השלב היא 700 ננומטר, ולכן תבנית ההתאבכות יש מגרש (Λ G) של 350 ננומטר. העדשה הגלילית מתמקדת קרן ליזר femtosecond לאורך nanofiber. גודל הקרן פני (ציר Y)ולאורך (Z ציר) את nanofiber הוא 60 מיקרומטר ו -5.6 מ"מ, בהתאמה. הסיבים המחודדים הוא רכוב על בעל מצויד הינע פייזו (PZT) עבור מתיחת הסיבים. כיסוי עליון עם צלחת זכוכית משמש כדי להגן על nanofiber מפני אבק. הבעל עם הסיבים המחודדים הוא קבוע על ספסל ייצור מאובזר עם תרגום (XYZ) וסיבוב (θ) בשלבים. Θ שלבית מאפשר סיבוב של המדגם nanofiber ב מטוס- YZ. The X-שלב יכול גם לשלוט על זוויות הטיה יחד XY- ו XZ-המטוס. מצלמת CCD הוא ממוקם במרחק של 20 ס"מ מן nanofiber ו בזווית של 45 מעלות במישור-XY לפקח על המיקום nanofiber. כל הניסויים מבוצעים בתוך תא נקי מצויד HEPA (מעצר חלקיקי יעילות גבוהה) מסנן כדי להשיג תנאים ללא אבק. אבק ללא תנאי הכרחי כדי לשמור על העברת nanofiber.
איור 1ב מציג את סכימטי של המדידות האופטיות. במהלך ייצור, התכונות האופטיות מנוטרות בקצרה בעזרת השקה (טווח אורכי גל: 700 - 900 ננומטר) פס רחב מקור אור מצמיד סיבים לתוך הסיב המחודד ומדידת הספקטרום של משודר והשתקפות האור באמצעות נתח ספקטרום ברזולוציה גבוהה. מקור ליזר CW מתכונן משמש כדי לפתור את מצבי החלל כראוי וכדי למדוד את הולכת החלל המוחלטת.
אנו מציגים פרוטוקול עבור ייצור ואפיון. באזור הפרוטוקול חולק לשלושה סעיפים קטנים, הכנת nanofiber, ייצור ליזר femtosecond ואפיון של הדגימות המפוברקות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
זהירות: יש להרכיב משקפי בטיחות בהחלט להימנע מחשיפה ישירה מנורת UV וכל הלייזרים כולל ליזר femtosecond. תלבש חליפה חדר נקי וכפפות כדי למנוע זיהום. השלך כל זבל סיבים כראוי בתיבת האשפה המיועדת.
1. הכנת nanofiber
- השתמש חשפנית ציפוי סיבים להפשיט את הז'קט הפולימר של הסיב האופטי במצב היחיד למשך פרק 5 מ"מ בשני מקומות מופרדים 200 מ"מ. נקה את שני החלקים הפשיטו מכנית באמצעות cleanroom לנגב טבול מתנול. טובל את הסיב בין שני החלקים האלה הפשיטו אצטון. חכה במשך 10 - 15 דקות עד ז'קט של הסיבים להתפרק. קח את הסיב מ אצטון מנקה את החלק הפשיט כולו באמצעות cleanroom לנגב טבול מתנול.
- הגדר את הסיבים הפשיטו על שני השלבים של ציוד ייצור nanofiber האופטי (ONME) לפברק את nanofiber.
- הפעל את הלייזר החללית לתוך הסיב ולנטר את transmission באמצעות פוטודיודה ולהקליט את העברת נתונים במחשב באמצעות כרטיס ADC. הפעל את זרימת הגז באמצעות תוכנת ONME ולהצית את האש. טענת את הפרמטר מראש אופטימיזציה בתוכנת ONME עבור הייצור של סיבים מחודדים עם קוטר מותנים של 500 ננומטר ולהתחיל את תהליך הייצור.
הערה: ONME הוא מכשיר זמין מסחרי, שנועד לפברק סיבים אופטיים מחודדים באמצעות טכניקה חומה למשוך סטנדרטית. היא משתמשת חמצן-מימן להבה לחום הסיב בשני שלבים ממונעים למשוך הסיב. את זרימת הגז ואת התנועות בשלב נשלטות על ידי תוכנת מחשב. הפרמטרים אופטימיזציה מראש ניתן לקבל מהספק, על פי בקשה מיוחדת.
- הפעל את הלייזר החללית לתוך הסיב ולנטר את transmission באמצעות פוטודיודה ולהקליט את העברת נתונים במחשב באמצעות כרטיס ADC. הפעל את זרימת הגז באמצעות תוכנת ONME ולהצית את האש. טענת את הפרמטר מראש אופטימיזציה בתוכנת ONME עבור הייצור של סיבים מחודדים עם קוטר מותנים של 500 ננומטר ולהתחיל את תהליך הייצור.
- לאחר הייצור, לתפוס את הסיבים המחודדים לבעל nanofiber באמצעות אפוקסי UV לריפוי. מכסים את בעל nanofiber באמצעות המכסה העליון עם צלחת זכוכית (המוצג איור 1 א). שים את המדגם בתוך קופסא נקיה ולהעביר אל לה femtosecondיחידת ייצור ser.
2. ייצור לייזר Femtosecond
- מערך של התקנת הייצור
- שם צלחת זכוכית על הספסל ייצור בגובה של 15 מ"מ. מקרינים הלייזר femtosecond למשך 5 שניות על הדופק אנרגיה של 1 MJ. זהה את לייזר femtosecond המושרה אבלציה מהדור אור לבן, ואת המראה של דפוס אבלציה כקו-נזק על צלחת זכוכית.
- חזור על התהליך על ידי שינוי הגובה של צלחת הזכוכית באמצעות X-שלב ספסל הייצור. עבור כל ייצור, לתרגם את Y-שלב ספסל הייצור ב -1 מ"מ על מנת להפוך את הייצור בעמדה חדשה.
- מצא את הגובה עבור הקו אבלציה החזק. בעמדה זו, לכוונן את זווית ההטיה ואת המיקום של אחת המראות מתקפלים כדי למקסם את אבלציה. כמו כן, בסדר לכוון את ההטיה של X-שלב הספסל ייצור על מנת למקסם את אבלציה.
הערה: את זווית ההטיה של המראה מתקפל הוא מכוון using כפתורי הכוונון בעל מראה kinematic ואת המיקום של המראה הוא מכוון ידי מתרגם את במת Z שעליו הוא מותקן. - לאחר אופטימיזציה, לסמן את המיקום של הקו אבלציה על תוכנת מצלמת CCD ולהסיר את צלחת הזכוכית.
הערה: תוכנת שליטה על מצלמת CCD מאפשר לכידת תמונה וסימני ציור על התמונה שצולמה. הוא גם מאפשר לשמור את הנתונים של התמונה שצולמה ואת הסימונים. מאז X-שלב ספסל הייצור אין במצב ייחוס מוחלט, תמונת CCD משמשת כהפנית התפקיד של ציר ה- X. הרזולוציה של התמונה CCD הוא 10 מיקרומטר לפיקסל. - שימוש -coater פלטינום (Pt), מעיל צלחת זכוכית עבור 60 s להפקיד רובד 25 ננומטר של Pt על צלחת זכוכית. תמונה התבנית אבלציה על צלחת זכוכית באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). אם תבנית אבלציה תערוכות מבנה תקופתי עם תקופה של 350 ננומטר (דפוס פרינג פרעות הצפוי) אז אלignment הוא מותאם. אחר לחזור על התהליך (משלב 2.1.1 - 2.1.4) עבור אנרגיות דופקות נמוכות (עד 300 μJ) עד להצגת תבנית אבלציה תקופתית נתפסת.
- המצאה של חלל apodized PHC
- מניח את הסיבים המחודדים על הספסל ייצור כ במקביל לקו אבלציה מסומן על מצלמת CCD.
- שלח ליזר בדיקה (כוח = 1 mW) דרך הסיבים המחודדים ולבחון את הפיזור מן הסיבים המחודדים על מצלמת CCD. חלק הפיזור החזק תואם את אזור nanofiber בשל קוטר subwavelength שלה.
- תרגם את במת Z של ספסל הייצור כדי למרכז את nanofiber למיקום קו אבלציה מסומן על מצלמת CCD.
- כבה את ליזר הבדיקה מקרין את ליזר femtosecond עם אנרגית דופק מינימום (<10 μJ). תרגום Y-שלב כדי לכסות את nanofiber עם קרן לייזר femtosecond. החפיפה מזוהה על ידי הארת nanofiber, observed על מצלמת CCD.
הערה: nanofiber מיושר עכשיו ביחס קרן לייזר femtosecond לאורך Y ו- Z ציר. - על מנת ליישר את nanofiber לאורך ציר ה- X, לתרגם את הבמה X חפיפה לתפקיד nanofiber למיקום קו אבלציה מסומן על מצלמת CCD.
- תרגם את הבמה Y על מנת למקסם את החפיפה של nanofiber עם לייזר femtosecond. שים את ההשתקפות של שתי ההזמנות הראשונות מן nanofiber (מופיע כשני כתמים בהירים על צלחת הזכוכית של המכסה העליון). שים לב לתנועת כתמי השתקפות אלה תוך תרגום שלבית Y הלוך ושוב.
הערה: אם כתמים אלה לנוע לעבר צד אחד ואז nanofiber אינו מקביל לקו אבלציה. במקרה זה, לסובב את הבמה הרוטציה להפוך את ההקבלה nanofiber לקו אבלציה. כאשר הם מקבילים, כתמי ההשתקפות יופיעו כהבזק. - לאחר ביצוע ההקבלה nanofiber לקו אבלציה, לתרגם את הבמה Y-מנת למקסם אתחפיפה בין קורה nanofiber ליזר femtosecond, על ידי מדידת הכח של ליזר femtosecond מפוזר לתוך מצבי מודרך nanofiber באמצעות פוטודיודה בסוף הסיבים המחודדים. לאחר מיקסום חפיפה, לסובב את הבמה סיבוב לזווית של ייצור θ = 0.5 מעלות.
הערה: לקבלת חפיפה מקסימלית בין קרן הלייזר femtosecond ו nanofiber, ניתן היה לצפות את כוחו של אור לייזר femtosecond מפוזרים לתוך מצבי מודרך nanofiber להיות מוגדל. - חסום את לייזר femtosecond עם מד הכוח להגדיר את האנרגיה הדופק ל -0.27 MJ. שינוי הגדרות לייזר femtosecond למצב הקרנה יחיד ירה.
הערה: במצב זה, רק דופק יחיד נוצר כאשר אש המתג נלחץ, אחרת אין פלט ליזר.- הסר את מד הכוח מנתיב קרן לייזר ואש דופק לייזר femtosecond יחיד. זה משלים את תהליך הייצור.
- Fabricatiעל של חלל PHC-induced פגם
- בדוק את היישור של ההתקנה על ידי התבוננות אבלציה על צלחת זכוכית כמתואר בסעיף 2.1. לאחר מציאת הגובה עבור קו אבלציה החזק, הכנס חוט נחושת 0.5 מ"מ במרכז של קרן הליזר רק לפני מסכת השלב. החוט נחושת צריך להיות לאורך ציר ה- Y (בניצב לקו אבלציה).
- בדוק את דפוס אבלציה על צלחת זכוכית בעת שינוי המיקום של חוטי נחושת לאורך ציר-Z. תקן את עמדת חוטי הנחושת כאשר דפוס אבלציה מציג פער יחיד במרכז הקו אבלציה.
- לאחר יישור, בצע את ייצור לייזר femtosecond על nanofiber בעקבות הנוהל המפורט בסעיף 2.2. עבור ייצור זה, לקבוע את זווית פברוק θ = 0 מעלות.
אפיון 3. הדוגמות המפוברקות
- מדידת תכונות אופטיות
- הכן את seזָכָר עבור מדידות אופטיות כמוצג באיור 1b. הפעל את מקור אור הפס הרחב לתוך הסיב המחודד ולמדוד את ספקטרום השידור והשתקפות לפני ואחרי הייצור באמצעות מנתח הספקטרום. לאחר ייצור, ספקטרום השידור יציג stopband מתאים התהודה בראג של המדגם המפוברק.
- סובב את המשוטים של מקטב מוטבעות סיבים כדי לבחור את הקיטוב ולקחת את ספקטרום לשני מאונך polarizations X-Pol ו- Y-Pol.
הערה: עבור X-Pol (הקיטוב לאורך-מכתשי ננו) את stopband יהיה כחולה העביר 21 (לכיוון אורך הגל הקצר יותר) ואת הפיזור מן nanofiber יהיה חזק יותר. אז, בחר את הקיטובים ע"י הסתכלות הקשת ואת מצלמת CCD. - עבור אחד הקיטובים, לקחת את ספקטרום השידור על ידי מתיחת הסיבים המחודדים באמצעות PZT (שמוצג באיור 1b). קח את הספקטרום על ידי יםtretching הסיב המחודד בצעדים של 2 מיקרומטר עד אורך המתיחה מקסימלית של 20 מיקרומטר (מוגבל בטווח סריקת PZT). שים לב כי תהודת בראג תהיה העביר אדום (כלפי אורך הגל הארוך יותר) על ידי מתיחת הסיבים המחודדים. מן הספקטרום הללו, לחשב את המשמרת של התהודה בראג, ליחידת מתיחת אורך.
- לפתרון מצבי החלל ומדידת שידור החלל המוחלט, השתמש מקור הליזר CW מתכונן. הפעל את הליזר לתוך הסיב המחודד ולנטר את התמסורת בטכנולוגיית פוטודיודה.
- קבע את אורך הגל לייזר עד קצה אדום בצד של stopband עבור Y-Pol ולהשתמש מקטב מוטבעות סיבים כדי למזער את השידור. בדרך זו, רכיב X-Pol מודחק ורק-Pol Y מסומן. קבע את אורך גל ליזר נוסף מתוך הקצה-פס אדום בצד ולהקליט את השידור תוך מתיחת הסיבים הדקיקים מקופסא 0 - 20 מיקרומטר.
- חזור על המדידה על ידי שינוי wavel לייזרength אל צד כחול בצעדים של 0.3 ננומטר עד stopband כולו מכוסה. מנתונים אלו, לשחזר את כל הקשת באמצעות הנתונים למשמרת התהודה ליחידת מתיחת אורך נמדדת בשלב 3.1.3.
הערה: עבור מדגם טיפוסי, stopband (התהודה בראג) יחד עם משמרות מצבי חלל על ידי 2 ננומטר ידי מתיחת הסיבים המחודדים ב -20 מיקרומטר בטווח הספקטרום החופשי הטיפוסי עבור מצבי החלל הם בין 0.05 - 0.5 ננומטר. עבור אורך גל נתון של הליזר קלט אפשר למדוד לפחות 3 - 4 מצבי חלל על ידי מתיחת הסיבים המחודדים. המרווח התדיר בין המצבים הוא להסיק מהנתונים למשמרת התהודה ליחידת מתיחת אורך נמדדת בשלב 3.1.3. חזרה על המדידה על ידי שינוי אורך גל לייזר בצעדים של 0.3 ננומטר, לפחות 2 - 3 מצבים חלל ברציפות מחדש נמדד מדידות עוקבות. אפשר לשחזר את כל הספקטרום ידי שכיסה את העברת נתונים עבור מדידות עוקבות תוך מחצלתעמדת צ'ינג של מצבי החלל נמדד מחדש.
- חזור על המדידה על ידי שינוי wavel לייזרength אל צד כחול בצעדים של 0.3 ננומטר עד stopband כולו מכוסה. מנתונים אלו, לשחזר את כל הקשת באמצעות הנתונים למשמרת התהודה ליחידת מתיחת אורך נמדדת בשלב 3.1.3.
- עכשיו למדוד את הספקטרום עבור הקיטוב האחר באמצעות הליך דומה כאמור צעדי 3.1.5 ו 3.1.5.1.
- הדמיה המדגם מפוברק
- שים את המדגם מפוברק על צלחת מתכת 2 סנטימטר ולתקן את שני קצוות של הסיבים המחודדים לצלחת המתכת באמצעות UV אפוקסי לריפוי. ודא שצד ההקרנה של מדגם הפרצופים את לוחית המתכת כך שצד הצל ניתן הדמיה.
- השתמש-coater Pt כדי לצפות את המדגם עבור 30 s ו להפקיד רובד של Pt עם עובי של כ -10 ננומטר. מניחים את המדגם לתוך SEM. קח את תמונת SEM מדגם בכל 0.1 מ"מ על האזור המפוברק כולו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תרשים 2 מציג את תמונת SEM של קטע אופייני של מדגם nanofiber המפוברק. זה מראה כי מכתשי ננו תקופתיים נוצרים בצד הצל של nanofiber, עם מחזוריות של 350 ננומטר המתאים היטב את תבנית ההתאבכות. ההבלעה מציגה את התצוגה המוגדלת של המדגם. הצורה-מכתשי ננו היא כמעט מעגלית בקוטר של מכתש-ננו טיפוסי הוא סביב 210 ננומטר.
איור 3 א מציג את התוצאות עבור ייצור חלל PHC apodized. הפרופיל הטיפוסי של מערך ננו-המכתש יחד עם קוטר nanofiber המקביל עבור זווית ייצור שונה (θ) ואנרגיה דופקת מוצג. העיגולים לציין את קוטר הננו-המכתש הריבועים הם בקוטר nanofiber המקביל. הקווים הם גאוס מתאים לפרופילים. הנתונים המוצגים להתכתב שחור וירוק כדי דגימות פבריוגיוון עם מעלות θ = 0, באמצעות אנרגיה דופקת של 0.35 ו 0.17 מ"ג ', בהתאמה. הנתונים המוצגים להתכתב אדום והכחול כדי דגימות מפוברקות עם θ = 0.5 מעלות באמצעות אנרגיה דופקת של 0.35 ו 0.27 מ"ג ', בהתאמה. כפי שניתן לראות, את מכתשי ננו נוצרים לאורך של 2-3 מ"מ לאורך nanofiber שבה הקוטר של nanofiber אחידה. האפודיציה בקוטר ננו-המכתש הוא ציין המתאים חלוקת עוצמת גאוס של קרן לייזר femtosecond. זה נראה בבירור כי הקוטר של מכתשי ננו מצטמצם לאנרגיה דופקת חלשה. יתר על כן, את רוחב פרופיל האפודיציה של מכתשי ננו הוא מופחת על ידי הגדלת הזווית של ייצור.
תוצאת הייצור עבור חלל PHC נגרם הפגם מוצגת איור 3B. פרופיל שיא דמוי כפול הוא ציין. שינוי הדרגתי הקוטר הוא ציין בקצוות החיצוניים של פסגות, ואילו diamete r השתנה במהירות בקצה הפנימי של פסגות. אזור פגם של 0.5 מ"מ ללא-מכתשי ננו הוא ציין בין שתי פסגות. אורכו של האזור פגם תואם היטב את עובי החוט נחושת מוכנס אל קרן ליזר femtosecond.
איור 4 מציג את ספקטרום שידור עבור מדגם חלל apodized PHC שהפרופיל שלו בקוטר מוצג בכחול באיור 3 א. דמויות 4 א ו -4 מציג את ספקטרום השידור האופייני X ו- Y-קיטובים, בהתאמה. הספקטרום עבור-Pol X מראה אזור stopband 793.7-798.8 ננומטר, שבו ההולכה יורדת כמה אחוזים. Stopband עבור Y-pol הוא אדום העביר ורחב לעומת-Pol X. הפסגות החדות שנצפו בצד האדום של stopband הן מצבי החלל. תמסורת עידון שיא של מצבי החלל הטיפוסיים מפורטות בטבלת 1.
"FO: keep-together.within-page =" 1 "> 5a דמויות 5b להראות את ספקטרום השידור של חלל PHC נגרם פגם עבור X ו- Y-קיטובים, בהתאמה כפי שניתן לראות, מצבי חלל חדים להופיע. משני הצדים stopband. עם זאת, המרווח המצב של הצד הכחול הם הרבה יותר גדולים מזה של-הצד האדום של הספקטרום. תיבת הילוכי עידון שיא של מצבי החלל הטיפוסיים מסוכמים בטבלת 1.
איור 1: תרשים סכמטי של הניסוי. (א) תרשים סכמטי של התקנת הייצור. דפוס הפרעה דו-קרן נוצר על nanofiber באמצעות מסכת שלב כמו ספליטר קורה ושני מראות מתקפלים (ראה טקסט לפרטים נוספים). עדשה גלילית משמשת קו למקד את ליזר femtosecond לאורך nanofiber. Blo אפס מסדרck משמש כדי למנוע אור אפס שיורית הסדר על כנו באזור הפרעה. פוטודיודה מחוברת בקצה אחד של הסיבים המחודדים כדי לבחון את הפיזור של ליזר femtosecond לתוך מצב מודרך nanofiber. מצלמת CCD משמשת כדי לפקח על עמדת nanofiber. (ב) תרשים סכמטי למדידת תכונות אופטיות. ספקטרום השידור והשתקפות של דגימות nanofiber המפוברקות נמדד בעת ובעונה אחת על ידי שינוי הקיטוב של אור הקלט. PHC, PZT, NPBS ו- SA לציין גבישים פוטוניים, הינע פייזו, nonpolarizing קרן splitter ו מנתח הספקטרום, בהתאמה. דמות זו שונתה מ -21. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
אלחוטיאיור 2: תמונת SEM של מדגם מפוברק. תמונת SEM של מדגם טיפוסי מפוברקת באמצעות הקרנה יחידה ירה. ההבלעה מציגה את התצוגה המוגדלת. מבני ננו-המכתש התקופתיים הם נצפו בצד הצל של nanofiber. דמות זו שונתה מ -21. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: קוטר פרופיל של מערך ננו-מכתש על nanofiber יחד עם סכמטי הקצר של שיטת הייצור. (א) פרופיל קוטר חלל PHC apodized. העיגולים לציין את קוטר הננו-המכתש הריבועים הם בקוטר nanofiber המקביל. הקווים הם גאוס מתאים לפרופילים. הנתונים המוצגים בלהck ומקביל ירוק דגימות מפוברקות עם θ = 0 מעלות, באמצעות אנרגיה דופקת של 0.35 ו 0.17 מ"ג ', בהתאמה. הנתונים המוצגים להתכתב אדום והכחול כדי דגימות מפוברקות עם θ = 0.5 מעלות, באמצעות אנרגיה דופקת של 0.35 ו 0.27 מ"ג ', בהתאמה. (ב) פרופיל קוטר חלל PHC נגרם הפגם מפוברק באמצעות אנרגיה דופקת של 0.4 MJ. העיגולים הכחולים ריבועים שחורים להראות בקוטר ננו-מכתש בקוטר nanofiber, בהתאמה. נתון זה הוא שימוש חוזר מ -22. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: הילוכים ספקטרה של חלל Apodized PHC. ספקטרום שידור של חלל PHC apodized עבור (א) X -pol ו- (ב) Y-Pol. החלקים של ספקטרה, בסימן קופסות כחולות הן מתפשטת ומוצגת את הריבועים. נתון זה הוא שימוש חוזר מ -22. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5: הילוכים ספקטרה של PHC חלל פגם המושרה. ספקטרום שידור של חלל PHC-induced פגם עבור (א) X-Pol ו- (ב) Y-Pol. החלקים של הספקטרום, בסימן קופסות כחולות הם מתפשטים ומוצגים את הריבועים. נתון זה הוא שימוש חוזר מ -22. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| דמות | מצב | F | T [%] | FSR [-1 ס"מ] | L [מ"מ] |
| 4 (א) | (1,2,3) | (71, 39, 16) | (33, 87, 93) | 7.94 | 0.54 |
| 4 (ב) | (1,2,3) | (500, 27, 11) | (21, 30, 73) | 3.94 | 1.09 |
| 5 (א) | (1,2,3,4) | (198, 115, 50, 21) | (25, 39, 64, 83) | 3.34 | 1.28 |
| (א ב ג ד) | (86, 63, 48, 20) | (26, 56, 73, 90) | 1.58 | 2.71 | |
| 5 (ב) | (1,2,3,4) | (178, 104, 43, 22) | (17, 39, 65, 93) | 1.36 | |
| (א ב ג ד) | (48, 44, 24, 22) | (20, 38, 56, 87) | 1.25 | 3.43 |
טבלה 1: מאפיינים אופטיים של מצבי החלל האופייניים. טבלה זו מסכמת את המאפיינים האופטיים של מצבי חלל הטיפוסיים המסומנים במספרים 4a, 4b, 5a ו 5 ב. F, T, FSR, עדין לציין L, שידור שיא, ריווח מצב, ואורך חלל מוערך, בהתאמה. טבלה זו היא שימוש חוזר מ -22.
משלימה קובץ 1: תצלום של תוכנית ההתקנה ONME. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
Supplemental קובץ 2: תמונות של ההתקנה ייצור לייזר Femtosecond. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ההשפעה של עידוש nanofiber ממלאת תפקיד חשוב טכניקת הייצור, ובכך ליצור מכתשי ננו על פני השטח בצל nanofiber (שמוצג באיור 2). ההשפעה של עידוש nanofiber גם הופכת את תהליך הייצור חזק כדי אי יציבות מכאנית בכל בכיוון הרוחבי (ציר Y). יתר על כן, בשל הקרנה חד נורה, הוא אי היציבות לאורך צירים האחרים אינה משפיעה על הייצור כזמן ההקרנה הוא רק 120 fs (רוחב הדופק כלומר). כתוצאה מכך, ננו מזומנות מחזוריות מוגדרים היטב מיוצרת על פני כמה אלף תקופות, בלי לקחת שום טיפול מיוחד כדי לדכא רעידות מכאניות.
טכניקות nanofabrication רבים כמו טחינה FIB, ליתוגרפיה אלומת אלקטרונים ו אבלציה לייזר femtosecond אפילו, ליישם ייצור, נקודה אחר נקודה. הייצור, נקודה אחר נקודה מתאים גם עבור דגימות נוקשות, שבו STA המכאניניתן להבטיח bility. במקרה של nanofibers האופטי, אם הסיבים המחודדים נשמרים תלוי בלי לגעת בשום מצע קשיח אז אי יציבות מכאנית משפיעה על תהליך הייצור. מצד השני, אם nanofiber מושם על מצע קשיח אז זיהום מן המצע עצמו או בשל התחריט של המצע יכול לבזות את האיכות האופטית. בפרט, ביחס טכניקת כרסום FIB, חסרונות נוספים הם אי יציבות מכאניות בשל לחייב את השפעות של שינוי nanofiber וחומר עקב זיהום מן אלומת היונים עוצמה. לפיכך, הפרוטוקול מובא כאן המצאה אופטית יחיד ירה על nanofiber עדיף על הייצור, נקודה אחר נקודה. עם זאת, נקודה אחר נקודה ייצור עשוי להיות מועדף עבור יישומים מסוימים שבהם בודה דפוס שרירותי על nanofiber חיוני.
צעד מכריע אחד בפרוטוקול הוא היישור של התקנת הייצור. מאז fabrication מבוצע על ידי דופק femtosecond עם רוחב פולס של 120 fs, הבדל המרחק האופטי בין ± 1 ההזמנות צריך להיות ממוזער כדי להבטיח חפיפה מרחבית 23. הבדל אורך הנתיב צריך להיות פחות מ -36 מיקרומטר כדי להבטיח חשיפה גבוהה של שולי הפרעות. לפיכך, את המיקום ואת זוויות ההטיה של מראות מתקפלות צריכים להיות מבוקרות בדיוק. למרות שגודל קרן לייזר femtosecond לאורך nanofiber הוא 5.6 מ"מ באזור הפרעה הוא פחות מ -1 מ"מ לאורך ציר ה- X מוגבל על ידי חפיפה מרחבית של פולסים. כמו כן יש להקפיד כי קרן ליזר femtosecond היא אירוע בדיוק בניצב מסכת השלב וספסל הייצור צריכה להיות מקביל את מסכת השלב. אפילו להטות של 10 mrad יכול לגרום הבדל אורך דרך מספיק כדי לשטוף את שולי ההפרעה. לבסוף, ציר העדשה הגלילית צריך להיות בניצב בדיוק לקווים על מסכת השלב. אחרת זה יהיה induce זווית סיבוב בין הקו ממוקד ± 1 הזמנות הפחתת החפיפה ביניהם.
דרישה נוספת קריטית עבור ייצור מוצלח היא הייצור של nanofiber באיכות גבוהה. כדי לקבל מצבי חלל עידון גבוהים, העברת nanofiber המקורית צריכה להיות> 95% וצריכה להיות מוגן מפני אבק או כל זיהום. כל זיהום על nanofiber יניע דפוס עוצם סדיר וכתוצאה מכך הייצור שאינו לשחזור ואף עלול לשבור את nanofiber. איכות nanofiber נשפטת עקב ההעברה הגבוהה דפוס פיזור של המצב המודרך שנצפה על מצלמת CCD.
ספקטרום השידור, מוצג איורים 4 ו -5, אזורי stopband המופע בו יותר מ 98% של אור הקלט משתקף והעברה יורד כמה אחוזים. התמסורת מן stopband היא סביב 100% להבטיח כי הייצור לא לגרום לאובדן משמעותישומר על האיכות האופטית של nanofiber. יתר על כן, מצבי חלל העידון גבוה נצפו (המפורטים בטבלת 1) בתוך stopband ערובה נוסף לכך את איכות הייצור. Stopband הוא הבין היטב מן ההשתקפות בראג מן-המכתשים ננו התקופתיים על nanofiber. תהודת בראג (R λ = 2n EFF Λ G) תלוי האינדקס היעיל (EFF n) של המצב המודרך המגרש (Λ G) של שולי הפרעות. שחלו בנתונים המוצגים בפרוטוקול זה, stopband הוא ציין סביב אורך גל של 800 ננומטר. Stopband ואת מצבי החלל יכולים להיות מכוונים על 10-15 ננומטר על ידי מתיחת הסיבים המחודדים. עם זאת, כדי להמשיך לשנות את אורך גל תהודה אחד חייב לשנות את קוטר nanofiber להגשים EFF n שונה או לשנות את המסכה שלב להגשים Λ G שונה.
מתוך מצבי החלל מפורטים בטבלה 1, עדיןערכים הנעים בין 30 - 500 יכול להתממש. בשל הכליאה הרוחבית החזקה של מצב מודרך nanofiber, cooperativity הגבוה / גורמי פרסל צפויים עבור עדינות כגון ערכי 16. Tunability בפס הרחב יחד עם כליאה חזקה של שדה בתוך מבוסס סיבים כגון חלל PHC מציע ביקוש גבוה עבור יישומים שונים, החל nanophotonics למדע מידע קוונטי.
לסיכום, הצגנו פרוטוקול בודה חללים 1D PHC על סיבי סיליקה בקוטר subwavelength באמצעות אבלציה femtosecond המושרה לייזר. טכניקת ייצור כאמורה עשויה להיות מיושמת כדי להפוך את מכשירי nanophotonic שונים מהמיקרו / nanofibers ועשויה להיות מותאמת לתהליכי nanofabrication אחרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Femtosecond Laser | Coherent Inc. | Libra HE | |
| Phase Mask | Ibsen Photonics | Custom Made | |
| Optial Nanofiber Manufacturing Equipment | Ishihara Sangyo | ONME | |
| ADC Card | PicoTech | ADC-24 | |
| Single mode fiber | Fujikura | FutureGuide-SM | |
| Broadband source | NKT Photonics | SuperK EXTREME | |
| CW Tunable Laser | Coherent Inc. | MBR-110 | |
| Spectrum analyser (Transmission spectrum) | Thermo Fisher Scientific | Nicolet 8700 | |
| Spectrum analyser (Reflection spectrum) | Ocean Optics | QE65000 | |
| CCD Camera | Thorlabs | DCC1545M | |
| Power Meter | Thorlabs | D3MM | |
| Pt-Coater | Vacuum Device Inc. | MSP-1S | |
| Scanning Electron Microscope | Keyence | VE-9800 | |
| UV Curable Epoxy | NTT-AT | AT8105 | |
| Photodiode | ThorLabs | PDA 36A-EC | |
| Clean room wipe | TExWipe | TX-404 | |
| Fiber coating stripper | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm | |
| Cover glass | Matsunami Glass IND,LTD | NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm | |
| PZT | NOLIAC | NAC 2011-H20 | |
| Cylindrical lens stage | NewPort | M-481-A | |
| Y,Z stages | Chuo Precision Industrial Co., LTD. | LD-149-C7 | |
| Rotation stage | SIGMA KOKI | KSPB-1026MH | |
| Z-stage(1), Z-stage(2) | NewPort | M-460P |
References
- Painter, O. J., et al. Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser. Science. 284, 1819-1821 (1999).
- Loncar, M., Scherer, A., Qiu, Y. Photonic crystal laser sources for chemical detection. Appl. Phys. Lett. 82, 4648 (2003).
- Tanabe, T., Notomi, M., Mitsugi, S., Shinya, A., Kuramochi, E. All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 87, 151112 (2005).
- Yoshie, T., et al. Vacuum Rabi splitting with a single quantum dot in a photonic crystal nanocavity. Nature. 432, 200-203 (2004).
- Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
- Noginov, M. A., et al.
- Zhang, X. Y., Zhang, T., Hu, A., Song, Y. J., Duley, W. W. Controllable plasmonic antennas with ultra narrow bandwidth based on silver nano-flags. Appl. Phys. Lett. 101, 153118 (2012).
- Tong, L., Zi, F., Guo, X., Lou, J. Optical microfibers and nanofibers: A tutorial. Opt. Comm. 285, 4641-4647 (2012).
- Morrissey, M. J., et al. Spectroscopy, manipulation and trapping of neutral atoms, molecules, and other particles using optical nanofibers: A review. Sensors. 13, 10449-10481 (2013).
- Kien, F. L., Dutta Gupta, S., Balykin, V. I., Hakuta, K. Spontaneous emission of a cesium atom near a nanofiber: Efficient coupling of light to guided modes. Phys. Rev. A. 72, 032509 (2005).
- Nayak, K. P., Melentiev, P. N., Morinaga, M., Kien, F. L., Balykin, V. I., Hakuta, K. Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence. Opt. Express. 15, 5431-5438 (2007).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Single atoms on an optical nanofiber. New J. Phys. 10, 053003 (2008).
- Nayak, K. P., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Antibunching and bunching of photons in resonance fluorescence from a few atoms into guided modes of an optical nanofiber. Phys. Rev. A. 79, 021801 (2009).
- Yalla, R., Nayak, K. P., Hakuta, K. Fluorescence photon measurements from single quantum dots on an optical nanofiber. Opt. Express. 20, 2932-2941 (2012).
- Yalla, R., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Efficient Channeling of Fluorescence Photons from Single Quantum Dots into Guided Modes of Optical Nanofiber. Phys. Rev. Lett. 109, 063602 (2012).
- Kien, F. L., Hakuta, K. Cavity-enhanced channeling of emission from an atom into a nanofiber. Phys. Rev. A. 80, 053826 (2009).
- Kato, S., Aoki, T. Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity. Phys. Rev. Lett. 115, 093603 (2015).
- Hoffman, J. E., et al. Ultrahigh transmission optical nanofibers. AIP Advances. 4, 067124 (2014).
- Nayak, K. P., et al. Cavity formation on an optical nanofiber using focused ion beam milling technique. Opt. Express. 19, 14040-14050 (2011).
- Kien, F. L., Nayak, K. P., Hakuta, K. Nanofibers with Bragg gratings from equidistant holes. J. Modern Opt. 59, 274-286 (2012).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique. Opt. Express. 21, 2480-2490 (2013).
- Nayak, K. P., Zhang, P., Hakuta, K. Optical nanofiber-based photonic crystal cavity. Opt. Lett. 39, 232-235 (2014).
- Becker, M., et al. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry. Opt. Express. 16, 19169-19178 (2008).
