O desempenho do controle de luz dos cristais fotônicos está intimamente relacionado à sua constante de rede, o que normalmente requer que a constante de rede esteja na mesma ordem de grandeza que o comprimento de onda de trabalho. Em materiais cristalinos, a estrutura cristalina fotônica é formada pelo arranjo periódico de unidades com constantes dielétricas diferentes das do próprio cristal no espaço, e sua constante de rede depende do tamanho da unidade e da lacuna entre unidades adjacentes.



Portanto, para obter o controle da luz na faixa do infravermelho próximo e da luz visível, é necessário controlar com precisão a estrutura da unidade de cristal fotônico e a lacuna na escala nanométrica.

O laser de femtosegundo pode fabricar diretamente estruturas micro-nano tridimensionais dentro de materiais transparentes, que é uma das melhores maneiras de construir estruturas cristalinas fotônicas em materiais cristalinos. No entanto, a tecnologia existente de processamento a laser de femtosegundo para cristais fotônicos geralmente adota uma estratégia de varredura ponto a ponto de feixe único, que é limitada na preparação de estruturas unitárias em nanoescala devido à sobreposição de trajetórias de processamento e precisão de controle de movimento.

A tecnologia de processamento de matriz de microlentes e a tecnologia de processamento de interferência a laser fornecem soluções para os problemas acima até certo ponto. No entanto, o primeiro não é suficientemente flexível e diferentes conjuntos de microlentes precisam ser projetados e fabricados para diferentes estruturas alvo. Embora este último tenha alta flexibilidade, geralmente só pode ser usado para processar estruturas bidimensionais planas, sem capacidade de personalização tridimensional.

Portanto, uma nova tecnologia de processamento a laser de femtosegundo é urgentemente necessária para a preparação de estruturas cristalinas fotônicas espaciais tridimensionais em nanoescala dentro dos cristais.

Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Lan Jiang da Escola de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia de Pequim, China, desenvolveu um método para fabricar estruturas de cristal fotônico baseado em litografia multifeixe de laser de femtosegundo em nanoescala, focando firmemente um campo de luz multifeixe com distribuição espacial tridimensional controlável dentro de um cristal e combinando-a com ataque químico.

Por um lado, o tamanho e a lacuna das unidades estruturais fabricadas podem ser controlados no nível do subcomprimento de onda, projetando a fase óptica e o método de foco preciso. Por outro lado, o uso de um campo de luz multifeixe permite o controle óptico em vez do controle elétrico, evitando efetivamente problemas como sobreposição de pontos de laser e precisão do movimento dos componentes que existem no processamento de laser de feixe único.

A correspondência um-para-um entre a fase espacial e a distribuição do campo de luz fornece viabilidade para este método. Neste artigo, os pesquisadores descobriram que o período da fase binária e o fluxo do laser afetam conjuntamente o tamanho e a lacuna da estrutura processada, e realizaram a preparação de unidades de estrutura cristalina fotônica em escala de subcomprimento de onda.

Com base no resultado acima, ajustando a escala de cinza da fase binária e o método de superposição da fase final, o campo de luz multifeixe com distribuição de fluxo de laser controlável e estrutura espacial tridimensional pode ser personalizado, e a estrutura fotônica complexa correspondente cristal pode ser processado.

Os testes de espectroscopia Raman e espectroscopia de fotoelétrons de raios X indicam que as unidades estruturais obtidas por este método de processamento são iguais aos resultados da varredura ponto a ponto de feixe único sob estados não sobrepostos, com alta estabilidade e confiabilidade.

Usando este método, foram preparadas estruturas de grade de longo período e subcomprimento de onda, e os resultados dos testes experimentais foram consistentes com os cálculos teóricos, verificando ainda mais a capacidade de processamento deste método.

Esses cientistas resumem as vantagens e a perspectiva de sua técnica:

"(1) Operação simples e baixo custo, sem a necessidade de projetar diferentes componentes ópticos para processar diferentes estruturas alvo; (2) O controle preciso das dimensões e lacunas da estrutura permite a fabricação de células unitárias de cristal fotônico em nanoescala; (3) Três A capacidade de processamento de estrutura espacial complexa multidimensional permite a preparação de estruturas cristalinas fotônicas tridimensionais dentro do cristal.

"O controle flexível sobre nanoestruturas torna o método relatado uma alternativa para tecer cristais fotônicos complexos com estrutura de subcomprimento de onda. Os potenciais do método de processamento multifeixe podem abrir caminhos possíveis para fabricar nanoestruturas para aplicações em comunicação óptica e manipulação de luz."

Mais informações: Jiaqun Li et al, Litografia multifeixe em nanoescala de cristais fotônicos com laser ultrarrápido, Luz:Ciência e Aplicações (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01178-3
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências