Трехмерная фемтосекундная лазерная нанолитография кристаллов
Оптические свойства материалов основаны на их химическом составе и врожденной субволновой архитектуре, хотя последние еще предстоит подробно охарактеризовать. Фотонные кристаллы и метаматериалы доказали это, предоставляя доступ через поверхностные изменения к новому уровню световых манипуляций за пределами известных естественных оптических свойств материалов. Тем не менее, за последние три десятилетия исследований технические методы не смогли надежно наноструктурировать твердые оптические кристаллы за пределами поверхности материала для углубленной оптической характеристики и связанных с ними применений.
Например, лазерная литография, разработанная в полупроводниковой промышленности, представляет собой метод обработки поверхности, используемый для эффективного травления ряда материалов, в том числе кремния, кварцевого стекла и полимеров. Этот процесс позволяет создавать высококачественные двумерные (2-D) нанофотонные устройства, которые можно расширить до 3-D, что было продемонстрировано два десятилетия назад с помощью инфракрасной фемтосекундной лазерной прямой записи . Однако фотополимеризованные структуры нецелесообразны, поскольку они не могут быть сопряжены с другими фотонными элементами. В то время как трехмерные наноструктурированные оптические волокна обеспечивают функциональность, значительно превосходящую возможности обычного неструктурированного стекла, революционизирует нелинейную оптику иОптическая связь , надежное изготовление материалов в кристаллических средах остается неуловимым.
Альтернативные методы включают прямую механическую обработку трехмерных наноструктур с лазерно- индуцированным пробоем диэлектрика и микровзрывами, инициируемыми внутри прозрачных кристаллов, для образования пустот и создания внутри них субмикрометровых структур. Но такие методы возникали с риском длительного повреждения решетки и распространения трещин. Поэтому, несмотря на усилия, стандартный метод для крупномасштабной трехмерной наноструктуризации кристаллов еще предстоит опубликовать.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics , Айран Роденас и его коллеги из Института фотоники и нанотехнологий и физического факультета отказались от существующих методов конструирования кристаллической наноархитектуры. Вместо этого они предложили метод, с помощью которого внутренняя химическая реакционная способность кристалла, определяемая скоростью его влажного травления, может быть локально модифицирована на наноразмерном уровне для формирования плотных решеток нанопор с использованием многофотонной трехмерной лазерной записи (3DLW). Междисциплинарные ученые показали, что внутри ключевых кристаллов, таких как иттриево-алюминиевый гранат, могут быть созданы пустые поры с сантиметровыми порами и произвольными элементами в масштабе 100 нм(YAG) и сапфир, обычно используемые для практических применений. Роденас и др. выполняла прямую лазерную запись перед травлением, создавая желаемую архитектуру пор внутри твердотельного лазерного кристалла для фотонных приложений.
В экспериментах ученые использовали стандартный 3DLW с иттербиевым сверхбыстрым волоконным лазером с синхронизацией мод (длина волны 1030 нм и длительность импульса 350 фс). Масляный иммерсионный объектив с числовой апертурой ( 1,4 ) использовался для плотной фокусировки лазерных импульсов внутри кристаллов. Роденас и др. использовали компьютерно-управляемые линейные каскады XYZ для трехмерного нанопозиционирования образцов. После лазерного облучения они полировали кристаллы, чтобы обнажить облученные структуры с последующим влажным химическим травлением. Для этого кристаллы YAG травили в горячей фосфорной кислоте в деионизированной воде . Ключевым техническим ограничением процесса травления была сложность обновления истощенной кислоты внутри нанопор, изготовленных с использованием подробного метода.
Результаты показали селективность травления при значении, превышающем 1 × 10 5 на молекулярном уровне между модифицированным и нетронутым кристаллическим состоянием, которое до сих пор не наблюдалось в фотооблученном материале. Наблюдаемое значение было примерно на два порядка выше, чем у масок из глиноземного травления на кремнии . Роденас и др. определили скорость травления немодифицированного YAG при ~ 1 нм / час. Предложенный метод позволил разработать и изготовить нанофотонные элементы внутри кристалла, которые могли бы обеспечить желаемые оптические отклики при субволновой структуре. Ученые смогли контролировать особенности направления пор, размера, формы, степени заполнения и длины решеток нанопор в кристаллах YAG, комбинируя 3DLW и мокрое травление.
Решетка YAG травилась в течение 120 часов, чтобы получить средние размеры пор в направлениях x и y. Форма и размер пор контролировались путем подбора мощности лазера и поляризации. Диаметр протравленных нанопор зависит от мощности лазера и может быть изучен как для линейной, так и для круговой поляризации лазерного пучка . Как ограничения метода, они обнаружили, что трехмерные фотонные структуры были характерно изолированы в пространстве, нуждались в опорных стенках, страдали от усадки и низкого порога оптического повреждения.
Ученые разработали фотонные структуры, используя круговую поляризацию, чтобы воспроизводимо создать воздушные поры в наноразмерной области ниже 200 нм. Нанофотонные структуры (фотонные решетки с воздушными порами), созданные в кристалле, сохраняли пространственное разрешение, эквивалентное тому, которое было получено с помощью современной многофотонной полимеризационной литографии .
Для практических применений нанофотонные устройства требуют надежных и эффективных оптических соединений для формирования больших, сложных схемных конструкций с другими оптическими элементами. Чтобы достичь этого, Ródenas et al. контролировал дифференциальную скорость травления для поддержания больших длин пор между фотомодифицированными объемами и окружающим кристаллом. Они использовали сканирующую электронную микроскопию (SEM), чтобы наблюдать и доказать процесс трехмерного травления.
В течение 170 часов ученые получили нанопоры с поперечным сечением 368 x 726 нм 2 и длиной 3,1 мм; чтобы показать, что нанопоры с длиной в миллиметровом масштабе могут быть спроектированы за один этап травления. Нанофотонные устройства обычно требуют таких размеров решетки от микрометрического до сантиметрового масштаба, без хрупкого разрушения кристалла из-за чрезмерного напряжения. Таким образом, ученые внедрили схему однородного травления наноструктур и микроструктурированных оптических волноводов (MOW) в желаемом масштабе по всему образцу.
Чтобы проверить, является ли наблюдаемая селективность травления нанопор с помощью YAG переносимой на другие типы кристаллов, ученые провели аналогичную экспериментальную наноструктурирование с сапфиром. Они обнаружили, что скорость параллельного травления нанопор ~ 1 × 10 5 в сапфире, аналогична YAG и выше, чем скорость, ранее наблюдавшаяся при травлении микроканалов в сапфире . Роденас и его коллеги сформировали нанопоры миллиметрового размера в сапфире с поперечными сечениями ~ 120 нм и проверили выполнимость этого метода, разработав решетку из нанопор, вытравленную в течение 170 часов без разрушения кристалла.
Способность контролировать формирование решетки вплоть до нанометрового масштаба будет полезна в практических фотонных приложениях. Например, решетки фотонных запрещенных зон могут быть спроектированы со стоп-полосами в видимом и среднем инфракрасном диапазоне в твердотельных лазерных кристаллах для фотонной информационной технологии. Чтобы еще более расширить возможности метода трехмерной нанолитографии, Ródenas et al. Спроектированные MOW (микроструктурированные оптические волноводы) с различными размерами решетки и размерами резонатора. Они получили размеры в диапазоне сантиметров в длину с решеткой с шагом 700 нм, наблюдаемой при освещении видимым светом.
Роденас и др. Проведены теоретические и имитационные методы субволновых решеток до их изготовления. Для численного моделирования они использовали метод конечных элементов (FEM) в программном обеспечении COMSOL Multiphysics 4.2. Ученые использовали одно и то же программное обеспечение и метод FEM для моделирования YAG MOW до их изготовления.
Эта способность создавать контролируемые трехмерные наноструктуры кристаллов открывает новые пути для разработки компактных монолитных твердотельных лазеров. Получающиеся кристаллы могут включать в себя традиционные элементы резонатора (решетки, волокна, микрожидкостные охлаждающие каналы) или новые микрорезонаторы внутри кристалла. Перспектива создания больших наноструктурированных лазерных кристаллов обеспечит новую основу для точной технологии в метрологических приложениях и позволит потенциально использовать новые области применения сверхпрочных деформируемых лазерных нановолокон в микроэлектронике и для доставки лекарств в медицине.
