Materials optiska egenskaper baseras på deras kemi och den inneboende subvåglängdsarkitekturen, även om det senare återstår att kännetecknas på djupet. Fotoniska kristaller och metamaterial har bevisat detta genom att ge tillgång genom ytförändringar till en ny nivå av ljusmanipulation utöver materialets kända naturliga optiska egenskaper. Än, under de senaste tre decennierna av forskning, tekniska metoder har inte kunnat pålitligt nanostrukturera hårda optiska kristaller bortom materialytan för djupgående optisk karakterisering och relaterade applikationer.

Till exempel, laserlitografi utvecklad av halvledarindustrin är en ytbehandlingsteknik som används för effektiv etsning av en mängd olika material, inklusive kisel, kiseldioxidglas och polymerer. Processen kan producera högkvalitativa tvådimensionella (2-D) nanofotoniska enheter som kan utökas till 3D, som demonstrerades för två decennier sedan med infrarött femtosekundlaserskrivning direkt. Dock, de fotopolymeriserade strukturerna är opraktiska eftersom de inte kan kopplas till andra fotoniska element. Medan 3D-nanostrukturerade optiska fibrer har levererat funktioner långt utöver de som är möjligt med vanligt ostrukturerat glas för att revolutionera olinjär optik och optisk kommunikation, pålitlig tillverkning av material i kristallina medier har förblivit svårfångade.

Alternativa metoder inkluderar direktbearbetning av 3-D-nanostrukturer med laserinducerad dielektrisk nedbrytning och mikroexplosioner som utlöses inuti transparenta kristaller för att bilda tomrum och framkalla submikrometerstrukturer inom dem. Men sådana metoder inträffade med risk för utökade gallerskador och sprickutbredning. Därför, trots ansträngningar, en standardmetod för storskalig, 3D-volym kristallnanostrukturering återstår att rapportera.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Nature Photonics , Airán Ródenas och medarbetare vid Institute of Photonics and Nanotechnology och Department of Physics avvek från befintliga metoder för att konstruera crystal nanoarchitecture. Istället, de föreslog en metod där den inre kemiska reaktiviteten hos en kristall, givet av dess våta etsningshastighet, kan modifieras lokalt i nanoskala för att bilda täta nanopore gitter med hjälp av multifoton 3-D laserskrivning (3DLW). De tvärvetenskapliga forskarna visade att centimeterlånga tomma porrgaller med godtyckliga egenskaper vid 100 nm skalan kunde skapas inuti viktiga kristaller som yttriumaluminiumgranat (YAG) och safir, används vanligtvis för praktiska tillämpningar. Ródenas et al. utförde direkt laserskrivning före etsning, skapa önskad porarkitektur inuti solid-state laserkristall för fotoniska applikationer.

I experimenten, forskarna använde en standard 3DLW med en ytterbiumlägeslåst ultrasnabb fiberlaser (1030 nm våglängd och 350 fs pulsvaraktighet). Ett 1,4 numeriskt bländaröppningsmål (NA) användes för att fokusera laserpulserna inuti kristallerna tätt. Ródenas et al. använde datorstyrda XYZ linjära steg för 3-D nanopositionering av proverna. Efter laserbestrålning, de polerade i sidled kristallerna för att avslöja de bestrålade strukturerna följt av våt kemisk etsning. För detta, YAG -kristallerna etsades i varm fosforsyra i avjoniserat vatten. En viktig teknisk begränsning av etsningsprocessen var svårigheten att fräscha upp den uttömda syran inuti nanoporerna som tillverkades med hjälp av den detaljerade metoden.

Resultaten visade en etsningsselektivitet vid ett värde större än 1 x 10 ⁵ på molekylär nivå mellan de modifierade och orörda kristallina tillstånden, hittills inte observerats i ett fotobestrålat material. Det observerade värdet var ungefär två storleksordningar högre än aluminiumoxidetsningsmasker på kisel. Ródenas et al. bestämde etsningshastigheten för omodifierad YAG vid ~ 1 nm/timme. Den föreslagna metoden tillät design och tillverkning av nanofotoniska element inuti en kristall som kunde ge önskade optiska svar, vid subvåglängdsstrukturen. Forskarna kunde kontrollera funktionerna i porriktningen, storlek, form, fylla fraktion och längd av nanopore -galler i YAG -kristaller genom att kombinera 3DLW och våtetsning.

YAG -gitteret etsades i 120 timmar för att erhålla genomsnittliga poredimensioner i x- och y -riktningarna. Porformen och storleken kontrollerades genom att skräddarsy laserkraften och polariseringen. Diametern på etsade nanoporer berodde på laserkraften och kunde studeras för både linjära och cirkulära laserstrålepolarisationer. Som begränsningar för tekniken, de fann att 3-D fotoniska strukturer var karakteristiskt isolerade i rymden, behövs stödväggar, och led av krympning och en låg optisk skadetröskel.

Forskarna konstruerade de fotoniska strukturerna med hjälp av cirkulär polarisation för att reproducerbart skapa luftporer i nanoskalaområdet under 200 nm. De nanofotoniska strukturerna (foton av luftporer) som skapats i kristallen upprätthåller den rumsliga upplösningen som är ekvivalent med den som erhålls med toppmodern multiphotonpolymerisationslitografi.

För praktiska tillämpningar, nanofotoniska enheter kräver robusta och effektiva optiska sammankopplingar för att bilda stora, komplexa kretskonstruktioner med andra optiska element. För att uppnå detta, Ródenas et al. kontrollerade differentialetsningshastigheten för att bibehålla stora porlängder mellan de fotomodifierade volymerna och den omgivande kristallen. De använde skanningselektronmikroskopi (SEM) för att observera och bevisa 3D-etsningsprocessen.

Inom 170 timmar, forskarna uppnådde nanoporer med tvärsnitt på 368 x 726 nm ² och längder på 3,1 mm; för att visa att nanoporer med millimeterlängd kan konstrueras i ett enda etsningssteg. Nanofotoniska enheter kräver vanligtvis sådana gitterdimensioner från mikrometriska till centimeterskalan, utan spröd brott på kristallen på grund av överdriven stress. På det här sättet, forskarna implementerade ett system för att homogen etsa nanostrukturer och mikrostrukturerade optiska vågledare (MOW), på önskad skala över hela provet.

För att testa om den observerade selektiviteten för nanoporetsning med YAG var överförbar till andra kristalltyper, forskarna genomförde liknande experimentell nanostrukturering med safir. De hittade en parallell nanoporets etsningshastighet på ~1 x 10 ⁵ i safir, liknande YAG och högre än den hastighet som tidigare observerats med mikrokanaler etsade i safir. Ródenas och arbetskamrater bildade millimeterlånga nanoporer i safir med tvärsnitt så små som ~ 120 nm och testade metodens genomförbarhet genom att konstruera nanopore-galler som etsats i 170 timmar utan att kristallen bryts.

Förmågan att kontrollera gitterbildning ner till nanometerskalan kommer att vara användbar i praktiska fotoniska tillämpningar. Till exempel, fotoniska bandgapgitter kan utformas med stoppband i det synliga till mellersta infraröda intervallet i solid-state laserkristaller för fotonisk informationsteknik. För att ytterligare utöka potentialen för 3D-nanolitografitekniken, Ródenas et al. konstruerad MOW (mikrostrukturerade optiska vågledare) med olika gitteravstånd och kavitetsstorlekar. De fick dimensioner i intervallet en centimeter i längd, med 700 nm stigningsgitter observerat under synligt ljus.

Ródenas et al. genomförde teoretiska metoder och simuleringsmetoder för subvåglängdsgallren före deras materialtillverkning. För de numeriska simuleringarna, de använde finite element -metoden (FEM) i programvaran COMSOL Multiphysics 4.2. Forskarna använde samma FEM-programvara och metod för att modellera YAG MOWs före tillverkning.

Denna förmåga att skapa kontrollerade 3D-nanostrukturer av kristaller öppnar nya vägar för att designa kompakta, monolitiska solid-state lasrar. De resulterande kristallerna kan innehålla traditionella hålrumselement (galler, fibrer, mikrofluidiska kylkanaler) eller nya mikroresonatorer inuti kristallen. Utsikterna att konstruera stora, nanostrukturerade laserkristaller kommer att ge en ny grund för precisionsteknik i metrologiska tillämpningar och möjliggöra potentiellt nya applikationer med ultrastarka deformerbara lasernanofibrer i mikroelektronik och för läkemedelsleverans inom medicin.

© 2019 Science X Network