Fabricage van fotonische kristallen op nanoschaal met een ultrasnelle laser

De lichtregelingsprestaties van fotonische kristallen hangen nauw samen met hun roosterconstante, die doorgaans vereist dat de roosterconstante in dezelfde orde van grootte ligt als de werkgolflengte. In kristalmaterialen wordt de fotonische kristalstructuur gevormd door de periodieke opstelling van eenheden met verschillende diëlektrische constanten dan het kristal zelf in de ruimte, en de roosterconstante hangt af van de grootte van de eenheid en de opening tussen aangrenzende eenheden.

Om lichtregeling in het nabij-infrarood en zichtbaar lichtbereik te bereiken, is het daarom noodzakelijk om de structuur van de fotonische kristaleenheid en de opening op nanometerschaal nauwkeurig te regelen.

Femtoseconde laser kan direct driedimensionale micro-nanostructuren in transparante materialen fabriceren, wat een van de beste manieren is om fotonische kristalstructuren in kristalmaterialen te construeren. De bestaande femtoseconde laserverwerkingstechnologie voor fotonische kristallen gebruikt echter meestal een punt-voor-punt scanstrategie met één bundel, die beperkt is in de voorbereiding van eenheidsstructuren op nanoschaal vanwege de overlapping van verwerkingstrajecten en nauwkeurigheid van bewegingsbesturing.

Micro-lens-array-verwerkingstechnologie en laser-interferentie-verwerkingstechnologie bieden tot op zekere hoogte oplossingen voor de bovengenoemde problemen. De eerste is echter niet flexibel genoeg en er moeten verschillende microlens-arrays worden ontworpen en vervaardigd voor verschillende doelstructuren. Hoewel de laatste een hoge flexibiliteit heeft, kan het meestal alleen worden gebruikt om platte tweedimensionale structuren te verwerken, zonder driedimensionale aanpassingsmogelijkheden.

Daarom is dringend nieuwe femtoseconde laserverwerkingstechnologie nodig voor de bereiding van driedimensionale ruimtelijke fotonische kristalstructuren op nanoschaal in kristallen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingeneen team van wetenschappers, geleid door professor Lan Jiang van de School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, China, ontwikkelde een methode voor het fabriceren van fotonische kristalstructuren op basis van femtoseconde laser multi-beam lithografie op nanoschaal door een multi-beam lichtveld strak te focussen met controleerbare driedimensionale ruimtelijke verdeling in een kristal en deze te combineren met chemisch etsen.

Aan de ene kant kunnen de grootte en opening van de gefabriceerde structurele eenheden worden geregeld op subgolflengteniveau door de optische fase en de strakke focusmethode te ontwerpen. Aan de andere kant maakt het gebruik van een lichtveld met meerdere bundels optische controle mogelijk in plaats van elektrische controle, waardoor problemen zoals overlapping van laserspots en precisie van de beweging van componenten die voorkomen bij laserverwerking met een enkele bundel effectief worden vermeden.

De één-op-één overeenkomst tussen ruimtelijke fase en de verdeling van het lichtveld maakt deze methode haalbaar. In dit artikel ontdekten onderzoekers dat de binaire faseperiode en laserflux gezamenlijk de grootte en opening van de verwerkte structuur beïnvloeden, en realiseerden ze de voorbereiding van fotonische kristalstructuureenheden op subgolflengteschaal.

Op basis van het bovenstaande resultaat, door de grijstinten van de binaire fase en de superpositiemethode van de laatste fase aan te passen, kan het multi-beam lichtveld met regelbare laserfluxverdeling en driedimensionale ruimtelijke structuur worden aangepast, en het bijbehorende fotonische kristal met complexe structuur kan worden verwerkt.

Raman-spectroscopie en röntgenfoto-elektronenspectroscopietests geven aan dat de structurele eenheden die door deze verwerkingsmethode worden verkregen, dezelfde zijn als de resultaten van punt-voor-punt scannen met een enkele bundel onder niet-overlappende toestanden, met hoge stabiliteit en betrouwbaarheid.

Met behulp van deze methode werden roosterstructuren met een lange periode en subgolflengte voorbereid en de experimentele testresultaten waren consistent met theoretische berekeningen, wat het verwerkingsvermogen van deze methode verder verifieerde.

Deze wetenschappers vatten de voordelen en het perspectief van hun techniek samen:

“(1) Eenvoudige bediening en lage kosten, zonder de noodzaak om verschillende optische componenten te ontwerpen voor het verwerken van verschillende doelstructuren; (2) Nauwkeurige controle van structuurafmetingen en openingen maakt de fabricage van fotonische kristaleenheidcellen op nanoschaal mogelijk; (3) Driedimensionale complexe ruimtelijke structuurverwerkingscapaciteit maakt de voorbereiding van driedimensionale fotonische kristalstructuren in het kristal mogelijk. ”

“De flexibele controle over nanostructuren maakt de gerapporteerde methode een alternatief voor het weven van complexe fotonische kristallen met een subgolflengtestructuur. De mogelijkheden van de multi-beam verwerkingsmethode kunnen mogelijke manieren openen om nanostructuren te fabriceren voor toepassingen in optische communicatie en lichtmanipulatie.”