Redes de difração de comprimento de onda e MOW (guias de ondas micro ópticas) em cristais YAG (granada de ítrio de alumínio). a) Imagem de um centímetro de comprimento, Grade de passo de 700 nm sob iluminação de luz visível. b) Eficiências de difração absolutas experimentais e calculadas de uma grade de comprimento de onda (passo de 700 nm) com 1, Comprimento de onda de 070 nm. A eficiência é calculada como a potência difratada dividida pela potência incidente na grade embutida. As barras de erro correspondem ao desvio padrão experimental de ~ 0,07%. Detalhe:imagem de close-up de microscopia eletrônica de varredura (MEV) da grade fabricada. c) Guia de ondas óptico com estrutura hexagonal, Espaçamento horizontal de poro a poro de 500 nm, tamanho médio de poro de 166 × 386 nm ^ 2 e comprimento de 4 mm. d) Perfil de modo de intensidade simulado em 1, 550 nm com largura total na metade dos máximos (FWHMs) de 862 nm (vertical) e 972 nm (horizontal). e) Imagem de campo próximo limitada por difração do modo de saída de guia de onda medido em 1, 550 nm, com um FWHM de ~ 1,5 µm. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
As propriedades ópticas dos materiais são baseadas em sua química e na arquitetura inerente do sub comprimento de onda, embora o último ainda deva ser caracterizado em profundidade. Cristais fotônicos e metamateriais provaram isso ao fornecer acesso por meio de alterações de superfície a um novo nível de manipulação de luz além das propriedades ópticas naturais conhecidas dos materiais. Ainda, nas últimas três décadas de pesquisa, os métodos técnicos têm sido incapazes de nanoestruturar confiavelmente cristais ópticos rígidos além da superfície do material para caracterização óptica em profundidade e aplicações relacionadas.
Por exemplo, litografia a laser desenvolvida pela indústria de semicondutores é uma técnica de processamento de superfície usada para gravação eficiente de uma variedade de materiais, incluindo silício, vidro de sílica e polímeros. O processo pode produzir dispositivos nanofotônicos bidimensionais (2-D) de alta qualidade que podem ser estendidos para 3-D, que foi demonstrado há duas décadas com a escrita direta do laser de femtosegundo infravermelho. Contudo, as estruturas fotopolimerizadas são impraticáveis, pois não podem ter interface com outros elementos fotônicos. Embora as fibras ópticas nanoestruturadas 3-D tenham fornecido funcionalidades muito além das possíveis com o vidro não estruturado comum para revolucionar a óptica não linear e as comunicações ópticas, a fabricação confiável de materiais em meios cristalinos permanece indefinida.
Métodos alternativos incluem usinagem direta de nanoestruturas 3-D com quebra dielétrica induzida por laser e microexplosões disparadas dentro de cristais transparentes para formar vazios e induzir estruturas submicrométricas dentro deles. Mas tais métodos ocorreram com o risco de danos prolongados à rede e propagação de rachaduras. Portanto, apesar dos esforços, um método padrão para grande escala, A nanoestruturação de cristal de volume 3-D ainda precisa ser relatada.
Em um estudo recente publicado em Nature Photonics , Airán Ródenas e colegas de trabalho do Instituto de Fotônica e Nanotecnologia e do Departamento de Física partiram dos métodos existentes de engenharia da nanoarquitetura de cristais. Em vez de, eles propuseram um método pelo qual a reatividade química interna de um cristal, dada por sua taxa de corrosão úmida, poderia ser modificado localmente em nanoescala para formar redes de nanoporos densas usando gravação a laser multifotônica 3-D (3DLW). Os cientistas interdisciplinares mostraram que redes de poros vazios de centímetros de comprimento com características arbitrárias na escala de 100 nm podem ser criadas dentro de cristais importantes, como granada de ítrio alumínio (YAG) e safira, normalmente usado para aplicações práticas. Ródenas et al. realizava gravação direta a laser antes da gravação, criando a arquitetura de poro desejada dentro do cristal de laser de estado sólido para aplicações fotônicas.
Redes de nanoporos de corrosão úmida projetadas por 3DLW em YAG. a) Rede nanopore atacada por 120 horas com dimensões médias de poros (257 ± 7 nm e 454 ± 13 nm) ao longo das direções xey e 1 mm de comprimento ao longo de z. b) Nanoporos sobrepostos verticalmente após 2 h de corrosão úmida (dimensões médias de 131 ± 5 nm e 1, 300 ± 35 nm ao longo de x e y, e comprimentos de 1 mm). c) Vista superior do microscópio óptico de nanoporos ao longo da direção z gravada por 1 hora (129 ± 6,8 µm de comprimento). Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Nos experimentos, os cientistas usaram um 3DLW padrão com um laser de fibra ultrarrápido bloqueado no modo itérbio (comprimento de onda de 1030 nm e duração de pulso de 350 fs). Uma objetiva de imersão em óleo com abertura numérica de 1,4 (NA) foi usada para focar firmemente os pulsos de laser dentro dos cristais. Ródenas et al. usaram estágios lineares XYZ controlados por computador para nanoposicionamento 3-D das amostras. Após a irradiação do laser, eles poliram lateralmente os cristais para expor as estruturas irradiadas, seguido de corrosão química úmida. Por esta, os cristais YAG foram gravados em ácido fosfórico quente em água desionizada. Uma limitação técnica fundamental do processo de corrosão foi a dificuldade em atualizar o ácido exaurido dentro dos nanoporos fabricados usando o método detalhado.
Os resultados mostraram uma seletividade de corrosão em um valor maior que 1 x 10 5 no nível molecular entre os estados cristalinos modificados e prístinos, até agora não observado em um material foto-irradiado. O valor observado foi aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que as máscaras de corrosão de alumina em silício. Ródenas et al. determinou a taxa de corrosão de YAG não modificado em ~ 1 nm / hora. O método proposto permitiu o projeto e fabricação de elementos nanofotônicos dentro de um cristal que poderiam fornecer as respostas ópticas desejadas, na estrutura de comprimento de onda. Os cientistas foram capazes de controlar as características da direção dos poros, Tamanho, forma, fração de preenchimento e comprimento de redes de nanoporos em cristais YAG combinando 3DLW e corrosão úmida.
A rede YAG foi gravada por 120 horas para obter as dimensões médias dos poros nas direções x e y. A forma e o tamanho dos poros foram controlados ajustando a potência do laser e a polarização. O diâmetro dos nanoporos gravados dependia da potência do laser e poderia ser estudado para polarizações de feixe de laser linear e circular. Como limitações da técnica, eles descobriram que estruturas fotônicas 3-D eram caracteristicamente isoladas no espaço, precisava de paredes de suporte, e sofreu encolhimento e um baixo limite de dano óptico.
(1). Evolução do tamanho dos poros e razão de aspecto da seção transversal em função da potência do laser para polarizações lineares e circulares em YAG. (A) Dependência de potência de larguras de poros (em vermelho) e alturas (em azul) para polarizações lineares (LP) e circulares (CP), medido a partir de poros gravados por 1h. (B) Dependência da relação de aspecto da seção transversal do poro (altura dividida pela largura) para polarizações lineares e circulares. (2) Ataque a nanoporos entrecruzados. (A) O grande índice de contraste entre os poros gravados e não gravados é representado em uma imagem bruta de transmissão de campo claro. (B) esboço 3D de 90º cruzando poros em diferentes posições de deslocamento vertical. (C, D) Imagens SEM do cruzamento dos poros a 90º e diferentes alturas de cruzamento. Nanopartículas pulverizadas com Ag também são visíveis na superfície principal. (E) Visão aproximada da superfície lisa interna de um poro. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Os cientistas projetaram as estruturas fotônicas usando polarização circular para criar de forma reprodutível poros de ar na região em nanoescala abaixo de 200 nm. As estruturas nanofotônicas (redes fotônicas de poros de ar) criadas no cristal mantiveram resolução espacial equivalente àquela obtida com litografia de polimerização multifotônica de última geração.
Para aplicações práticas, dispositivos nanofotônicos requerem interconexões ópticas robustas e eficientes para formar grandes, projetos de circuitos complexos com outros elementos ópticos. Para alcançar isto, Ródenas et al. controlou a taxa de corrosão diferencial para manter grandes comprimentos de poro entre os volumes fotomodificados e o cristal circundante. Eles usaram microscopia eletrônica de varredura (SEM) para observar e provar o processo de corrosão 3-D.
Ataque a nanoporos em YAG ao longo de comprimentos de escala de mm a cm. (A) Visão lateral do microscópio óptico dos poros gravados. (B) Vista superior do microscópio óptico de nanoporos gravados. (C) Vista lateral de SEM de nanoporos gravados. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9.
Dentro de 170 horas, os cientistas alcançaram nanoporos com seções transversais de 368 x 726 nm 2 e comprimentos de 3,1 mm; para mostrar que nanoporos com comprimento em escala milimétrica podem ser projetados em uma única etapa de gravação. Dispositivos nanofotônicos normalmente requerem tais dimensões de rede de escala micrométrica a centimétrica, sem fratura frágil do cristal devido ao estresse excessivo. Desta maneira, os cientistas implementaram um esquema para gravar de forma homogênea nanoestruturas e guias de ondas ópticas microestruturadas (MOWs), na escala desejada em toda a amostra.
Para testar se a seletividade observada de corrosão nanopore com YAG era transferível para outros tipos de cristal, os cientistas conduziram nanoestruturas experimentais semelhantes com safira. Eles encontraram uma taxa de corrosão de nanopore paralela de ~ 1 x 10 5 em safira, semelhante ao YAG e superior à taxa previamente observada com microcanais gravados em safira. Ródenas e colegas de trabalho formaram nanoporos milimétricos de safira com seções transversais tão pequenas quanto ~ 120 nm e testaram a viabilidade do método pela engenharia de redes de nanoporos gravadas por 170 horas sem fraturar o cristal.
(1) Esquema para alcançar redes de nanoporos infinitamente longos e homogeneamente gravados por meio de poros de gravação 3D. (A) esboço 3D da arquitetura dos canais de corrosão vertical para guias de ondas ópticas microestruturadas (MOWs). (B) SEM de um corte polido através de um MOW revelando parcialmente os poros de gravação 3D. (C) Vista superior do microscópio de uma matriz gravada de MOWs com canais de gravação verticais a cada 80 µm. (2) Etching mm de poros longos em safira. a) Imagem em campo escuro de três matrizes de poros de 1 mm de comprimento após 170 h de tempo total de corrosão. Os poros em cada matriz foram escritos em ~ 10 mW e em profundidades variando de 4 a 30 µm. b) Exemplo de poros escritos em potência média (9,4 mW) e profundidade de 29 µm, após 30 min de condicionamento. c) Exemplo de dois poros escritos a 24 µm de profundidade e no limite de potência de foto-modificação (~ 4 mW) para os quais nenhum poro secundário é observado. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9.
A capacidade de controlar a formação da rede em escala nanométrica será útil em aplicações fotônicas práticas. Por exemplo, as redes de folga fotônica podem ser projetadas com bandas de parada na faixa do infravermelho médio do visível em cristais de laser de estado sólido para tecnologia de informação fotônica. Para expandir ainda mais o potencial da técnica de nanolitografia 3-D, Ródenas et al. MOW projetado (guias de ondas ópticas microestruturadas) com diferentes espaçamentos de rede e tamanhos de cavidades. Eles obtiveram dimensões na faixa de um centímetro de comprimento, com grade de passo de 700 nm observada sob iluminação de luz visível.
Ródenas et al. conduziram métodos teóricos e de simulação das grades de sub-onda antes de sua fabricação de material. Para as simulações numéricas, eles usaram o método dos elementos finitos (FEM) no software COMSOL Multiphysics 4.2. Os cientistas usaram o mesmo software FEM e método para modelar YAG MOWs antes da fabricação.
Essa capacidade de criar nanoestruturas 3-D controladas de cristais abre novas rotas para projetos compactos, lasers monolíticos de estado sólido. Os cristais resultantes podem incorporar elementos de cavidade tradicionais (grades, fibras, canais de resfriamento microfluídico) ou novos microrressonadores dentro do cristal. A perspectiva de uma grande engenharia, cristais de laser nanoestruturados fornecerão uma nova base para tecnologia de precisão em aplicações metrológicas e permitirão aplicações potencialmente novas com nanofibras de laser deformáveis ultraforte em microeletrônica e para distribuição de drogas em medicina.
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