El rendimiento del control de la luz de los cristales fotónicos está estrechamente relacionado con su constante de red, que normalmente requiere que la constante de red esté en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de trabajo. En los materiales cristalinos, la estructura del cristal fotónico está formada por la disposición periódica de unidades con constantes dieléctricas diferentes a las del propio cristal en el espacio, y su constante de red depende del tamaño de la unidad y del espacio entre unidades adyacentes.

Por lo tanto, para lograr el control de la luz en el rango de luz visible e infrarroja cercana, es necesario controlar con precisión la estructura de la unidad de cristal fotónico y el espacio a escala nanométrica.

El láser de femtosegundo puede fabricar directamente micronanoestructuras tridimensionales dentro de materiales transparentes, que es una de las mejores formas de construir estructuras de cristal fotónico en materiales cristalinos. Sin embargo, la tecnología de procesamiento láser de femtosegundo existente para cristales fotónicos generalmente adopta una estrategia de escaneo punto por punto de un solo haz, que está limitada en la preparación de estructuras unitarias a nanoescala debido a la superposición de trayectorias de procesamiento y la precisión del control de movimiento.

La tecnología de procesamiento de conjuntos de microlentes y la tecnología de procesamiento de interferencias láser brindan soluciones a los problemas anteriores hasta cierto punto. Sin embargo, el primero no es lo suficientemente flexible y es necesario diseñar y fabricar diferentes conjuntos de microlentes para diferentes estructuras objetivo. Aunque este último tiene una gran flexibilidad, generalmente solo se puede utilizar para procesar estructuras bidimensionales planas y carece de capacidad de personalización tridimensional.

Por lo tanto, se necesita con urgencia una nueva tecnología de procesamiento con láser de femtosegundo para la preparación de estructuras de cristales fotónicos espaciales tridimensionales a escala nanométrica dentro de cristales.

En un nuevo artículo publicado en Light:Science &Applications , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Lan Jiang de la Escuela de Ingeniería Mecánica del Instituto de Tecnología de Beijing, China, desarrolló un método para fabricar estructuras de cristal fotónico basadas en litografía multihaz con láser de femtosegundo a nanoescala enfocando estrechamente un campo de luz multihaz. con distribución espacial tridimensional controlable dentro de un cristal y combinándolo con grabado químico.

Por un lado, el tamaño y el espacio de las unidades estructurales fabricadas se pueden controlar en el nivel inferior a la longitud de onda mediante el diseño de la fase óptica y el método de enfoque ajustado. Por otro lado, el uso de un campo de luz multihaz permite el control óptico en lugar del control eléctrico, evitando efectivamente problemas como la superposición de puntos láser y la precisión del movimiento de los componentes que existen en el procesamiento con láser de un solo haz.

La correspondencia uno a uno entre la fase espacial y la distribución del campo luminoso proporciona viabilidad a este método. En este artículo, los investigadores descubrieron que el período de fase binaria y el flujo del láser afectan conjuntamente el tamaño y el espacio de la estructura procesada, y realizaron la preparación de unidades de estructura de cristal fotónico de escala inferior a la longitud de onda.

Con base en el resultado anterior, ajustando la escala de grises de la fase binaria y el método de superposición de la fase final, se puede personalizar el campo de luz multihaz con distribución de flujo láser controlable y estructura espacial tridimensional, y la estructura fotónica compleja correspondiente. El cristal se puede procesar.

Las pruebas de espectroscopia Raman y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X indican que las unidades estructurales obtenidas mediante este método de procesamiento son las mismas que los resultados del escaneo punto por punto de un solo haz en estados no superpuestos, con alta estabilidad y confiabilidad.

Utilizando este método, se prepararon estructuras de rejilla de período largo y de sublongitud de onda, y los resultados de las pruebas experimentales fueron consistentes con los cálculos teóricos, lo que verifica aún más la capacidad de procesamiento de este método.

Estos científicos resumen las ventajas y perspectivas de su técnica:

"(1) Operación simple y bajo costo, sin la necesidad de diseñar diferentes componentes ópticos para procesar diferentes estructuras objetivo; (2) El control preciso de las dimensiones y espacios de la estructura permite la fabricación de celdas unitarias de cristal fotónico a nanoescala; (3) Tres La capacidad de procesamiento de estructuras espaciales complejas de tres dimensiones permite la preparación de estructuras de cristal fotónico tridimensionales dentro del cristal."

"El control flexible sobre las nanoestructuras hace que el método descrito sea una alternativa para tejer cristales fotónicos complejos con una estructura por debajo de la longitud de onda. El potencial del método de procesamiento de haces múltiples puede abrir posibles caminos para fabricar nanoestructuras para aplicaciones en comunicación óptica y manipulación de la luz".

Más información: Jiaqun Li et al, Litografía multihaz a nanoescala de cristales fotónicos con láser ultrarrápido, Luz:ciencia y aplicaciones (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01178-3

Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones

Proporcionado por la Academia China de Ciencias