Fremstilling af fotoniske krystaller i nanoskala med en ultrahurtig laser

Lysstyringsydelsen af ​​fotoniske krystaller er tæt forbundet med deres gitterkonstant, hvilket typisk kræver, at gitterkonstanten er i samme størrelsesorden som arbejdsbølgelængden. I krystalmaterialer er den fotoniske krystalstruktur dannet af det periodiske arrangement af enheder med forskellige dielektriske konstanter end selve krystallen i rummet, og dens gitterkonstant afhænger af størrelsen af ​​enheden og afstanden mellem tilstødende enheder.

For at opnå lysstyring i det nær-infrarøde og synlige lysområde er det derfor nødvendigt at kontrollere den fotoniske krystalenhedsstruktur og mellemrummet præcist på nanometerskalaen.

Femtosekund-laser kan direkte fremstille tredimensionelle mikro-nano-strukturer inde i transparente materialer, hvilket er en af ​​de bedste måder at konstruere fotoniske krystalstrukturer i krystalmaterialer. Den eksisterende femtosekund-laserbehandlingsteknologi til fotoniske krystaller anvender dog normalt en enkeltstråle punkt-for-punkt scanningsstrategi, som er begrænset i forberedelsen af ​​enhedsstrukturer i nanoskala på grund af overlapning af behandlingsbaner og bevægelseskontrols nøjagtighed.

Mikro-linse array-behandlingsteknologi og laserinterferensbehandlingsteknologi giver løsninger på ovennævnte problemer i et vist omfang. Førstnævnte er dog ikke fleksibel nok, og forskellige mikrolinse-arrays skal designes og fremstilles til forskellige målstrukturer. Selvom sidstnævnte har høj fleksibilitet, kan det normalt kun bruges til at behandle flade todimensionelle strukturer, uden tredimensionel tilpasningsevne.

Derfor er der et presserende behov for ny femtosekund laserbehandlingsteknologi til fremstilling af tredimensionelle rumlige fotoniske krystalstrukturer i nanoskala inde i krystaller.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Lan Jiang fra School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Kina, udviklede en metode til fremstilling af fotoniske krystalstrukturer baseret på femtosekund laser-multistrålelitografi i nanoskala ved tæt fokusering af et multistrålelysfelt med kontrollerbar tredimensionel rumlig fordeling inde i en krystal og kombinere den med kemisk ætsning.

På den ene side kan størrelsen og mellemrummet af de fremstillede strukturelle enheder kontrolleres på sub-bølgelængdeniveau ved at designe den optiske fase og tætte fokuseringsmetode. På den anden side giver brugen af ​​et multi-stråle lysfelt mulighed for optisk styring i stedet for elektrisk styring, hvilket effektivt undgår problemer såsom laserspot-overlapning og præcision af komponentbevægelser, der findes i enkeltstråle-laserbehandling.

En-til-en-korrespondancen mellem rumlig fase og fordelingen af ​​lysfeltet giver mulighed for denne metode. I denne artikel fandt forskerne ud af, at den binære faseperiode og laserflux i fællesskab påvirker størrelsen og mellemrummet af den behandlede struktur og realiserede forberedelsen af ​​fotoniske krystalstrukturenheder i sub-bølgelængdeskala.

Baseret på ovenstående resultat, ved at justere gråskalaen af ​​den binære fase og superpositionsmetoden for den endelige fase, kan multistråle-lysfeltet med kontrollerbar laserfluxfordeling og tredimensionel rumlig struktur tilpasses, og den tilsvarende komplekse struktur fotonisk krystal kan behandles.

Raman-spektroskopi- og røntgenfotoelektronspektroskopi-tests indikerer, at de strukturelle enheder opnået ved denne behandlingsmetode er de samme som resultaterne af enkeltstråle punkt-for-punkt-scanning under ikke-overlappende tilstande med høj stabilitet og pålidelighed.

Ved at bruge denne metode blev riststrukturer med lang periode og underbølgelængde forberedt, og eksperimentelle testresultater var i overensstemmelse med teoretiske beregninger, hvilket yderligere bekræftede denne metodes bearbejdningsevne.

Disse videnskabsmænd opsummerer fordelene og perspektivet ved deres teknik:

"(1) Enkel betjening og lave omkostninger uden behov for at designe forskellige optiske komponenter til behandling af forskellige målstrukturer; (2) Præcis kontrol af strukturdimensioner og mellemrum muliggør fremstilling af fotoniske krystalenhedsceller på nanoskala; (3) Tre -dimensionel kompleks rumlig strukturbehandlingsevne muliggør fremstilling af tredimensionelle fotoniske krystalstrukturer inde i krystallen."

"Den fleksible kontrol over nanostrukturer gør den rapporterede metode til et alternativ til at væve komplekse fotoniske krystaller med subbølgelængdestruktur. Potentialerne ved multistrålebehandlingsmetode kan åbne mulige måder at fremstille nanostruktur til applikationer inden for optisk kommunikation og lysmanipulation."

Flere oplysninger: Jiaqun Li et al, Nanoskala multi-beam litografi af fotoniske krystaller med ultrahurtig laser, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01178-3

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Chinese Academy of Sciences