Ljuskontrollprestandan för fotoniska kristaller är nära relaterad till deras gitterkonstant, vilket vanligtvis kräver att gitterkonstanten är i samma storleksordning som arbetsvåglängden. I kristallmaterial bildas den fotoniska kristallstrukturen av det periodiska arrangemanget av enheter med andra dielektriska konstanter än själva kristallen i rymden, och dess gitterkonstant beror på enhetens storlek och gapet mellan intilliggande enheter.
Därför, för att uppnå ljuskontroll i området nära infrarött och synligt ljus, är det nödvändigt att exakt kontrollera den fotoniska kristallenhetens struktur och gap på nanometerskala.
Femtosekundlaser kan direkt tillverka tredimensionella mikro-nanostrukturer inuti transparenta material, vilket är ett av de bästa sätten att konstruera fotoniska kristallstrukturer i kristallmaterial. Den befintliga femtosekundlaserbehandlingsteknologin för fotoniska kristaller antar dock vanligtvis en enkelstråle punkt-för-punkt-skanningsstrategi, som är begränsad vid beredningen av enhetsstrukturer i nanoskala på grund av överlappning av bearbetningsbanor och rörelsekontrollnoggrannhet.
Teknik för bearbetning av mikrolinsarray och bearbetningsteknik för laserinterferens ger lösningar på ovanstående problem i viss utsträckning. Den förra är dock inte tillräckligt flexibel, och olika mikrolinsarrayer måste designas och tillverkas för olika målstrukturer. Även om den senare har hög flexibilitet, kan den vanligtvis endast användas för att bearbeta platta tvådimensionella strukturer, utan tredimensionell anpassningsförmåga.
Därför behövs ny femtosekundlaserbehandlingsteknologi omgående för att förbereda tredimensionella rumsliga fotoniska kristallstrukturer i nanoskala inuti kristaller.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av professor Lan Jiang från School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Kina, utvecklade en metod för att tillverka fotoniska kristallstrukturer baserade på femtosekundlaserlitografi i nanoskala genom att tätt fokusera ett flerstrålningsljusfält med kontrollerbar tredimensionell rumsfördelning inuti en kristall och kombinerar den med kemisk etsning.
Å ena sidan kan storleken och gapet hos de tillverkade strukturella enheterna kontrolleras på sub-våglängdsnivån genom att designa den optiska fasen och den täta fokuseringsmetoden. Å andra sidan tillåter användningen av ett flerstrålningsljusfält optisk kontroll istället för elektrisk kontroll, vilket effektivt undviker problem som laserfläcksöverlappning och precision av komponentrörelser som finns i enstrållaserbehandling.
En-till-en-överensstämmelsen mellan rumsfasen och fördelningen av ljusfältet ger möjlighet till denna metod. I den här artikeln fann forskarna att den binära fasperioden och laserflödet tillsammans påverkar storleken och gapet hos den bearbetade strukturen och insåg beredningen av fotoniska kristallstrukturenheter i sub-våglängdsskala.
Baserat på ovanstående resultat, genom att justera gråskalan för den binära fasen och superpositionsmetoden för den slutliga fasen, kan flerstråleljusfältet med kontrollerbar laserflödesfördelning och tredimensionell rumslig struktur anpassas, och motsvarande komplexa struktur fotonisk kristall kan bearbetas.
Raman-spektroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi-tester indikerar att de strukturella enheterna som erhålls med denna bearbetningsmetod är desamma som resultaten av enkelstråle punkt-för-punkt-skanning under icke-överlappande tillstånd, med hög stabilitet och tillförlitlighet.
Med denna metod förbereddes gitterstrukturer med långa perioder och undervåglängder, och experimentella testresultat överensstämde med teoretiska beräkningar, vilket ytterligare verifierade bearbetningsförmågan hos denna metod.
Dessa forskare sammanfattar fördelarna och perspektivet med deras teknik:
"(1) Enkel drift och låg kostnad, utan att behöva designa olika optiska komponenter för bearbetning av olika målstrukturer; (2) Exakt kontroll av strukturdimensioner och luckor möjliggör tillverkning av fotoniska kristallenhetsceller i nanoskala; (3) Tre -dimensionell komplex rumslig strukturbearbetningsförmåga möjliggör framställning av tredimensionella fotoniska kristallstrukturer inuti kristallen."
"Den flexibla kontrollen över nanostrukturer gör den rapporterade metoden till ett alternativ till att väva komplexa fotoniska kristaller med subvåglängdsstruktur. Potentialerna för multi-beam processing-metoden kan öppna möjliga sätt att tillverka nanostruktur för applikationer inom optisk kommunikation och ljusmanipulation."
Mer information: Jiaqun Li et al, Nanoscale multi-beam litografi av fotoniska kristaller med ultrasnabb laser, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01178-3
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
