Rejillas de difracción de sublongitud de onda y MOW (guías de ondas micro ópticas) en cristales YAG (granate de itrio y aluminio). a) Imagen de un centímetro de largo, Rejilla de paso de 700 nm bajo iluminación de luz visible. b) Eficiencias de difracción absoluta experimentales y calculadas de una rejilla de sublongitud de onda (paso de 700 nm) con 1, Longitud de onda de 070 nm. La eficiencia se calcula como la potencia difractada dividida por la potencia incidente en la rejilla empotrada. Las barras de error corresponden a la desviación estándar experimental de ~ 0.07%. Recuadro:imagen de primer plano de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la rejilla fabricada. c) Guía de ondas ópticas con estructura hexagonal, Espaciado horizontal de poro a poro de 500 nm, tamaño medio de poro de 166 × 386 nm ^ 2 y 4 mm de longitud. d) Perfil de modo de intensidad simulado en 1, 550 nm con ancho completo a la mitad de los máximos (FWHM) de 862 nm (vertical) y 972 nm (horizontal). e) Imagen de campo cercano limitada por difracción del modo de salida de la guía de ondas medida en 1, 550 nm, con una FWHM de ~ 1,5 µm. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Las propiedades ópticas de los materiales se basan en su química y la arquitectura de sublongitud de onda inherente, aunque este último queda por caracterizar en profundidad. Los cristales fotónicos y los metamateriales lo han demostrado al proporcionar acceso a través de alteraciones de la superficie a un nuevo nivel de manipulación de la luz más allá de las conocidas propiedades ópticas naturales de los materiales. Todavía, en las últimas tres décadas de investigación, Los métodos técnicos no han podido nanoestructurar de forma fiable cristales ópticos duros más allá de la superficie del material para una caracterización óptica en profundidad y aplicaciones relacionadas.
Por ejemplo, La litografía láser desarrollada por la industria de los semiconductores es una técnica de procesamiento de superficies utilizada para el grabado eficiente de una variedad de materiales. incluido el silicio, vidrio de sílice y polímeros. El proceso puede producir dispositivos nanofotónicos bidimensionales (2-D) de alta calidad que se pueden extender a 3-D, que se demostró hace dos décadas con la escritura directa por láser de femtosegundos infrarrojos. Sin embargo, las estructuras fotopolimerizadas no son prácticas ya que no pueden interconectarse con otros elementos fotónicos. Si bien las fibras ópticas nanoestructuradas 3-D han brindado funcionalidades mucho más allá de las posibles con el vidrio no estructurado ordinario para revolucionar la óptica no lineal y las comunicaciones ópticas, la fabricación confiable de materiales en medios cristalinos sigue siendo difícil de alcanzar.
Los métodos alternativos incluyen el mecanizado directo de nanoestructuras 3-D con ruptura dieléctrica inducida por láser y microexplosiones activadas dentro de cristales transparentes para formar vacíos e inducir estructuras submicrométricas dentro de ellos. Pero tales métodos se produjeron con el riesgo de daños prolongados en la celosía y propagación de grietas. Por lo tanto, a pesar de los esfuerzos, un método estándar para gran escala, Queda por informar sobre la nanoestructuración de cristales de volumen 3-D.
En un estudio reciente publicado en Fotónica de la naturaleza , Airán Ródenas y colaboradores del Instituto de Fotónica y Nanotecnología y del Departamento de Física se apartaron de los métodos existentes de ingeniería de la nanoarquitectura cristalina. En lugar de, propusieron un método mediante el cual la reactividad química interna de un cristal, dada por su tasa de grabado en húmedo, podría modificarse localmente a nanoescala para formar densas redes de nanoporos utilizando escritura láser multifotónica 3-D (3DLW). Los científicos interdisciplinarios demostraron que se podían crear celosías de poros vacíos de un centímetro de largo con características arbitrarias en la escala de 100 nm dentro de cristales clave como el granate de itrio aluminio (YAG) y el zafiro, normalmente se utiliza para aplicaciones prácticas. Ródenas et al. realizó escritura láser directa antes del grabado, creando la arquitectura de poros deseada dentro del cristal láser de estado sólido para aplicaciones fotónicas.
Rejillas de nanoporos de grabado en húmedo diseñadas por 3DLW en YAG. a) Rejilla de nanoporos grabada durante 120 horas con dimensiones de poro promedio (257 ± 7 nm y 454 ± 13 nm) a lo largo de las direcciones xey y 1 mm de longitud a lo largo de z. b) Nanoporos superpuestos verticalmente después de 2 h de grabado en húmedo (dimensiones promedio de 131 ± 5 nm y 1, 300 ± 35 nm a lo largo de xey, y longitudes de 1 mm). c) Vista superior del microscopio óptico de nanoporos a lo largo de la dirección z grabados durante 1 hora (129 ± 6,8 µm de longitud). Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
En los experimentos, Los científicos utilizaron un 3DLW estándar con un láser de fibra ultrarrápido bloqueado en modo de iterbio (longitud de onda de 1030 nm y duración de pulso de 350 fs). Se utilizó un objetivo de inmersión en aceite de 1,4 de apertura numérica (NA) para enfocar con precisión los pulsos de láser dentro de los cristales. Ródenas et al. utilizaron etapas lineales XYZ controladas por computadora para el nanoposicionamiento tridimensional de las muestras. Después de la irradiación láser, pulieron lateralmente los cristales para exponer las estructuras irradiadas, seguido de un grabado químico húmedo. Para esto, los cristales de YAG se grabaron en ácido fosfórico caliente en agua desionizada. Una limitación técnica clave del proceso de grabado fue la dificultad para refrescar el ácido agotado dentro de los nanoporos fabricados utilizando el método detallado.
Los resultados mostraron una selectividad de grabado a un valor superior a 1 x 10 5 en el nivel molecular entre los estados cristalinos modificado y prístino, hasta ahora no observado en un material fotoirradiado. El valor observado fue aproximadamente dos órdenes de magnitud más alto que el de las máscaras de grabado de alúmina sobre silicio. Ródenas et al. determinó la velocidad de grabado de YAG sin modificar a ~ 1 nm / hora. El método propuesto permitió el diseño y fabricación de elementos nanofotónicos dentro de un cristal que podría proporcionar las respuestas ópticas deseadas, en la estructura de sublongitud de onda. Los científicos pudieron controlar las características de la dirección de los poros, Talla, forma, fracción de relleno y longitud de las celosías de nanoporos en cristales YAG mediante la combinación de 3DLW y grabado en húmedo.
La red YAG se atacó durante 120 horas para obtener las dimensiones medias de los poros en las direcciones xey. La forma y el tamaño de los poros se controlaron adaptando la potencia y la polarización del láser. El diámetro de los nanoporos grabados dependía de la potencia del láser y podría estudiarse para polarizaciones de rayos láser tanto lineales como circulares. Como limitaciones de la técnica, encontraron que las estructuras fotónicas 3-D estaban característicamente aisladas en el espacio, se necesitan muros de soporte, y sufrió encogimiento y un umbral de daño óptico bajo.
(1). Evolución del tamaño de los poros y la relación de aspecto de la sección transversal en función de la potencia del láser para polarizaciones lineales y circulares en YAG. (A) Dependencia de la potencia de los anchos de poro (en rojo) y las alturas (en azul) para polarizaciones lineales (LP) y circulares (CP), medido a partir de los poros grabados durante 1 hora. (B) Dependencia de la relación de aspecto de los poros de la sección transversal (altura dividida por ancho) para polarizaciones lineales y circulares. (2) Grabado de nanoporos entrecruzados. (A) El gran índice de contraste entre los poros grabados y no grabados se representa en una imagen de transmisión de campo brillante sin procesar. (B) Croquis 3D de poros que se cruzan a 90º en diferentes posiciones de desplazamiento vertical. (C, D) Imágenes SEM de poros cruzados a 90º y diferentes alturas de cruce. Las nanopartículas pulverizadas de Ag también son visibles en la superficie principal. (E) Vista de cerca de la superficie interior lisa de un poro. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Los científicos diseñaron las estructuras fotónicas utilizando polarización circular para crear de forma reproducible poros de aire en la región de nanoescala por debajo de 200 nm. Las estructuras nanofotónicas (retículas fotónicas de poros de aire) creadas en el cristal mantuvieron una resolución espacial equivalente a la obtenida con la litografía de polimerización multifotónica de última generación.
Para aplicaciones prácticas, Los dispositivos nanofotónicos requieren interconexiones ópticas robustas y eficientes para formar grandes diseños de circuitos complejos con otros elementos ópticos. Lograr esto, Ródenas et al. controló la tasa de grabado diferencial para mantener grandes longitudes de poro entre los volúmenes fotomodificados y el cristal circundante. Utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM) para observar y probar el proceso de grabado en 3D.
Grabado de nanoporos en YAG a lo largo de escalas de mm a cm. (A) Vista lateral del microscopio óptico de los poros grabados. (B) Vista superior del microscopio óptico de nanoporos grabados. (C) Vista lateral SEM de nanoporos grabados. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9.
En 170 horas, los científicos lograron nanoporos con secciones transversales de 368 x 726 nm 2 y longitudes de 3,1 mm; para mostrar que los nanoporos con una longitud de escala milimétrica podrían diseñarse en un solo paso de grabado. Los dispositivos nanofotónicos generalmente requieren tales dimensiones de celosía desde la escala micrométrica hasta la centimétrica, sin fractura quebradiza del cristal debido a una tensión excesiva. De este modo, los científicos implementaron un esquema para grabar de manera homogénea nanoestructuras y guías de ondas ópticas microestructuradas (MOW), en la escala deseada en toda la muestra.
Para probar si la selectividad observada del grabado con nanoporos con YAG era transferible a otros tipos de cristales, los científicos llevaron a cabo una nanoestructuración experimental similar con zafiro. Encontraron una tasa de grabado de nanoporos paralela de ~ 1 x 10 5 en zafiro, similar a YAG y superior a la tasa previamente observada con microcanales grabados en zafiro. Ródenas y sus colaboradores formaron nanoporos de un milímetro de longitud en zafiro con secciones transversales tan pequeñas como ~ 120 nm y probaron la viabilidad del método mediante la ingeniería de redes de nanoporos grabadas durante 170 horas sin fracturar el cristal.
(1) Esquema para lograr celosías de nanoporos grabadas de forma homogénea e infinitamente largas mediante poros de grabado de conexión 3D. (A) Bosquejo en 3D de la arquitectura de canales de grabado vertical para grabar guías de ondas ópticas microestructuradas (MOW). (B) SEM de un corte pulido a través de un MOW que revela parcialmente los poros de grabado 3D. (C) Vista superior del microscopio de una serie de MOW grabados con canales de grabado verticales cada 80 µm. (2) Grabado de poros de mm de largo en zafiro. a) Imagen de campo oscuro de tres conjuntos de poros de 1 mm de largo después de 170 h de tiempo total de grabado. Los poros de cada matriz se escribieron a ~ 10 mW y a profundidades de entre 4 y 30 µm. b) Ejemplo de poros escritos a media potencia (9,4 mW) y 29 µm de profundidad, después de 30 min de grabado. c) Ejemplo de dos poros escritos a 24 µm de profundidad y en el umbral de potencia de fotomodificación (~ 4 mW) para los que no se observan poros secundarios. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9.
La capacidad de controlar la formación de celosías hasta la escala nanométrica será útil en aplicaciones fotónicas prácticas. Por ejemplo, Las celosías de banda prohibida fotónica se pueden diseñar con bandas de parada en el rango visible al infrarrojo medio en cristales láser de estado sólido para tecnología de información fotónica. Para ampliar aún más el potencial de la técnica de nanolitografía 3D, Ródenas et al. MOW (guías de ondas ópticas microestructuradas) diseñadas con diferentes espaciamientos de celosía y tamaños de cavidad. Obtuvieron dimensiones en el rango de un centímetro de longitud, con rejilla de paso de 700 nm observada bajo iluminación de luz visible.
Ródenas et al. llevaron a cabo métodos teóricos y de simulación de las rejillas de sublongitud de onda antes de su fabricación del material. Para las simulaciones numéricas, utilizaron el método de elementos finitos (FEM) en el software COMSOL Multiphysics 4.2. Los científicos utilizaron el mismo software y método FEM para modelar los YAG MOW antes de la fabricación.
Esta capacidad de crear nanoestructuras controladas en 3D de cristales abre nuevas rutas para diseñar compactos, láseres monolíticos de estado sólido. Los cristales resultantes pueden incorporar elementos de cavidad tradicionales (rejillas, fibras, canales de enfriamiento de microfluidos) o microrresonadores novedosos dentro del cristal. La perspectiva de la ingeniería a gran escala, Los cristales láser nanoestructurados proporcionarán una nueva base para la tecnología de precisión en aplicaciones metrológicas y permitirán aplicaciones potencialmente nuevas con nanofibras láser deformables ultrarresistentes en microelectrónica y para la administración de fármacos en medicina.
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