Réseaux de diffraction sous-longueur d'onde et MOW (microguides d'ondes optiques) dans des cristaux de YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium). a) Image d'un centimètre de long, Réseau de pas de 700 nm sous éclairage visible. b) Efficacités de diffraction absolue expérimentales et calculées d'un réseau de sous-longueurs d'onde (pas de 700 nm) avec 1, Longueur d'onde 070 nm. L'efficacité est calculée comme la puissance diffractée divisée par la puissance incidente sur le réseau intégré. Les barres d'erreur correspondent à l'écart type expérimental de ~ 0,07 %. En médaillon :image en gros plan au microscope électronique à balayage (MEB) du réseau fabriqué. c) Guide d'onde optique à structure hexagonale, Espacement pore à pore horizontal de 500 nm, taille moyenne des pores de 166 × 386 nm^2 et 4 mm de longueur. d) Profil de mode d'intensité simulé à 1, 550 nm avec pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de 862 nm (vertical) et 972 nm (horizontal). e) Image en champ proche limitée par la diffraction du mode de sortie du guide d'ondes mesurée à 1, 550 nm, avec une FWHM de ~1,5 µm. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Les propriétés optiques des matériaux sont basées sur leur chimie et l'architecture sous-longueur d'onde inhérente, bien que ce dernier reste à caractériser en profondeur. Les cristaux photoniques et les métamatériaux l'ont prouvé en donnant accès par des altérations de surface à un nouveau niveau de manipulation de la lumière au-delà des propriétés optiques naturelles connues des matériaux. Encore, au cours des trois dernières décennies de recherche, les méthodes techniques ont été incapables de nanostructurer de manière fiable des cristaux optiques durs au-delà de la surface du matériau pour une caractérisation optique approfondie et des applications connexes.
Par exemple, la lithographie laser développée par l'industrie des semi-conducteurs est une technique de traitement de surface utilisée pour une gravure efficace d'une gamme de matériaux, y compris le silicium, verre de silice et polymères. Le processus peut produire des dispositifs nanophotoniques bidimensionnels (2D) de haute qualité qui peuvent être étendus à la 3D, ce qui a été démontré il y a deux décennies avec l'écriture directe par laser femtoseconde infrarouge. Cependant, les structures photopolymérisées sont peu pratiques car elles ne peuvent pas être interfacées avec d'autres éléments photoniques. Alors que les fibres optiques nanostructurées 3-D ont fourni des fonctionnalités bien au-delà de celles possibles avec le verre non structuré ordinaire pour révolutionner l'optique non linéaire et les communications optiques, la fabrication fiable de matériaux dans des milieux cristallins est restée insaisissable.
Des méthodes alternatives incluent l'usinage direct de nanostructures 3D avec une rupture diélectrique induite par laser et des micro-explosions déclenchées à l'intérieur de cristaux transparents pour former des vides et induire des structures submicrométriques en leur sein. Mais de telles méthodes se sont produites au risque d'endommager le réseau étendu et de propager les fissures. Par conséquent, malgré les efforts, une méthode standard à grande échelle, La nanostructuration cristalline en volume 3D reste à rapporter.
Dans une étude récente publiée dans Photonique de la nature , Airán Ródenas et ses collègues de l'Institut de photonique et de nanotechnologie et du Département de physique se sont éloignés des méthodes existantes d'ingénierie de la nanoarchitecture cristalline. Au lieu, ils ont proposé une méthode par laquelle la réactivité chimique interne d'un cristal, donnée par son taux de gravure humide, pourraient être modifiés localement à l'échelle nanométrique pour former des réseaux de nanopores denses en utilisant l'écriture laser multiphotonique 3-D (3DLW). Les scientifiques interdisciplinaires ont montré que des réseaux de pores vides d'un centimètre de long avec des caractéristiques arbitraires à l'échelle de 100 nm pouvaient être créés à l'intérieur de cristaux clés tels que le grenat yttrium aluminium (YAG) et le saphir, généralement utilisé pour des applications pratiques. Rodenas et al. effectué une écriture laser directe avant gravure, créer l'architecture de pores souhaitée à l'intérieur du cristal laser à l'état solide pour les applications photoniques.
Gravure humide de réseaux de nanopores conçus par 3DLW dans YAG. a) Réseau de nanopores gravé pendant 120 heures avec des dimensions de pores moyennes (257 ± 7 nm et 454 ± 13 nm) selon les directions x et y et une longueur de 1 mm selon z. b) Nanopores superposés verticalement après 2 h de gravure humide (dimensions moyennes de 131 ± 5 nm et 1, 300 ± 35 nm le long de x et y, et longueurs 1 mm). c) Vue de dessus au microscope optique des nanopores le long de la direction z gravés pendant 1 heure (129 ± 6,8 µm de longueur). Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Dans les expériences, les scientifiques ont utilisé un 3DLW standard avec un laser à fibre ultrarapide verrouillé en mode ytterbium (longueur d'onde de 1030 nm et durée d'impulsion de 350 fs). Un objectif à immersion dans l'huile à ouverture numérique (NA) de 1,4 a été utilisé pour focaliser étroitement les impulsions laser à l'intérieur des cristaux. Rodenas et al. utilisé des étages linéaires XYZ contrôlés par ordinateur pour le nanopositionnement 3D des échantillons. Après irradiation laser, ils ont polis latéralement les cristaux pour exposer les structures irradiées suivi d'une gravure chimique humide. Pour ça, les cristaux de YAG ont été gravés dans de l'acide phosphorique chaud dans de l'eau désionisée. Une limitation technique clé du processus de gravure était la difficulté de rafraîchir l'acide épuisé à l'intérieur des nanopores fabriqués à l'aide de la méthode détaillée.
Les résultats ont montré une sélectivité de gravure à une valeur supérieure à 1 x 10 5 au niveau moléculaire entre les états cristallins modifiés et vierges, jusqu'à présent pas observé dans un matériau photo-irradié. La valeur observée était d'environ deux ordres de grandeur supérieure à celle des masques de gravure d'alumine sur silicium. Rodenas et al. déterminé la vitesse de gravure du YAG non modifié à ~ 1 nm/heure. La méthode proposée a permis la conception et la fabrication d'éléments nanophotoniques à l'intérieur d'un cristal qui pourraient fournir les réponses optiques souhaitées, à la structure sous-longueur d'onde. Les scientifiques ont pu contrôler les caractéristiques de la direction des pores, Taille, forme, fraction de remplissage et longueur des réseaux de nanopores dans les cristaux de YAG en combinant 3DLW et gravure humide.
Le réseau YAG a été gravé pendant 120 heures pour obtenir des dimensions moyennes de pores dans les directions x et y. La forme et la taille des pores ont été contrôlées en adaptant la puissance et la polarisation du laser. Le diamètre des nanopores gravés dépendait de la puissance du laser et pouvait être étudié pour les polarisations linéaires et circulaires du faisceau laser. Comme limites de la technique, ils ont découvert que les structures photoniques 3D étaient typiquement isolées dans l'espace, murs de soutènement nécessaires, et a subi un retrait et un seuil d'endommagement optique bas.
(1). Evolution de la taille des pores et du rapport hauteur/largeur en fonction de la puissance laser pour les polarisations linéaires et circulaires dans le YAG. (A) Dépendance en puissance des largeurs de pores (en rouge) et des hauteurs (en bleu) pour les polarisations linéaires (LP) et circulaires (CP), mesurée à partir des pores gravés pendant 1h. (B) Dépendance du rapport d'aspect des pores en section transversale (hauteur divisée par la largeur) pour les polarisations linéaires et circulaires. (2) Gravure de nanopores entrecroisés. (A) Le grand contraste d'indice entre les pores gravés et non gravés est représenté dans une image de transmission en champ clair brut. (B) Croquis 3D de pores traversant à 90º à différentes positions de décalage vertical. (C, D) Images SEM de pores croisés à 90º et à différentes hauteurs de croisement. Des nanoparticules d'Ag pulvérisées sont également visibles sur la surface principale. (E) Vue rapprochée de la surface intérieure lisse d'un pore. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9
Les scientifiques ont conçu les structures photoniques en utilisant une polarisation circulaire pour créer de manière reproductible des pores d'air dans la région nanométrique en dessous de 200 nm. Les structures nanophotoniques (réseaux photoniques à pores d'air) créées dans le cristal ont conservé une résolution spatiale équivalente à celle obtenue avec la lithographie de polymérisation multiphotonique de pointe.
Pour des applications pratiques, les dispositifs nanophotoniques nécessitent des interconnexions optiques robustes et efficaces pour former de grands, conceptions de circuits complexes avec d'autres éléments optiques. Pour y parvenir, Rodenas et al. contrôlé la vitesse de gravure différentielle pour maintenir de grandes longueurs de pores entre les volumes photomodifiés et le cristal environnant. Ils ont utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB) pour observer et prouver le processus de gravure en 3D.
Gravure de nanopores dans du YAG sur des longueurs allant du mm au cm. (A) Vue latérale au microscope optique des pores gravés. (B) Vue de dessus au microscope optique des nanopores gravés. (C) Vue latérale SEM des nanopores gravés. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9.
Dans les 170 heures, les scientifiques ont réalisé des nanopores avec des sections efficaces de 368 x 726 nm 2 et des longueurs de 3,1 mm; pour montrer que des nanopores d'une longueur millimétrique pouvaient être fabriqués en une seule étape de gravure. Les dispositifs nanophotoniques nécessitent généralement de telles dimensions de réseau allant de l'échelle micrométrique à l'échelle centimétrique, sans rupture fragile du cristal due à une contrainte excessive. De cette façon, les scientifiques ont mis en œuvre un schéma pour graver de manière homogène des nanostructures et des guides d'ondes optiques microstructurés (MOW), sur l'échelle souhaitée sur l'ensemble de l'échantillon.
Pour tester si la sélectivité observée de la gravure des nanopores avec YAG était transférable à d'autres types de cristaux, les scientifiques ont mené une nanostructuration expérimentale similaire avec du saphir. Ils ont trouvé un taux de gravure parallèle des nanopores d'environ 1 x 10 5 en saphir, similaire au YAG et supérieur au taux précédemment observé avec des microcanaux gravés dans le saphir. Ródenas et ses collègues ont formé des nanopores d'un millimètre de long dans du saphir avec des sections transversales aussi petites que ~ 120 nm et ont testé la faisabilité de la méthode en créant des réseaux de nanopores gravés pendant 170 heures sans fracturer le cristal.
(1) Schéma pour obtenir des réseaux de nanopores infiniment longs et gravés de manière homogène au moyen de pores de gravure 3D connectés. (A) Croquis 3D de l'architecture des canaux de gravure verticale pour la gravure de guides d'ondes optiques microstructurés (MOW). (B) SEM d'une coupe polie à travers un MOW révélant partiellement des pores de gravure 3D. (C) Vue de dessus au microscope d'un tableau gravé de MOW avec des canaux de gravure verticaux tous les 80 µm. (2) Gravure de pores de mm de long dans le saphir. a) Image en fond noir de trois réseaux de pores de 1 mm de long après 170 h de temps de gravure total. Les pores de chaque réseau ont été écrits à ~10 mW et à des profondeurs allant de 4 à 30 µm. b) Exemple de pores écrits à moyenne puissance (9,4 mW) et 29 µm de profondeur, après 30 min de gravure. c) Exemple de deux pores écrits à 24µm de profondeur et au seuil de puissance de photo-modification (~4µmW) pour lesquels aucun pore secondaire n'est observé. Crédit :Nature Photonics, doi :https://doi.org/10.1038/s41566-018-0327-9.
La capacité de contrôler la formation de réseau jusqu'à l'échelle nanométrique sera utile dans les applications photoniques pratiques. Par exemple, les réseaux à bande interdite photonique peuvent être conçus avec des bandes d'arrêt dans la gamme visible à infrarouge moyen dans des cristaux laser à semi-conducteurs pour la technologie de l'information photonique. Pour élargir encore le potentiel de la technique de nanolithographie 3D, Rodenas et al. MOW (guides d'ondes optiques microstructurés) conçus avec différents espacements de réseau et tailles de cavité. Ils ont obtenu des dimensions de l'ordre d'un centimètre de longueur, avec un réseau de pas de 700 nm observé sous un éclairage en lumière visible.
Rodenas et al. ont mené des méthodes théoriques et de simulation des réseaux de sous-longueurs d'onde avant leur fabrication matérielle. Pour les simulations numériques, ils ont utilisé la méthode des éléments finis (FEM) dans le logiciel COMSOL Multiphysics 4.2. Les scientifiques ont utilisé le même logiciel et la même méthode FEM pour modéliser les MOW YAG avant la fabrication.
Cette capacité à créer des nanostructures 3D contrôlées de cristaux ouvre de nouvelles voies pour concevoir des lasers monolithiques à l'état solide. Les cristaux résultants peuvent incorporer des éléments de cavité traditionnels (grilles, fibres, canaux de refroidissement microfluidiques) ou de nouveaux microrésonateurs à l'intérieur du cristal. La perspective d'une grande ingénierie, les cristaux laser nanostructurés fourniront une nouvelle base pour la technologie de précision dans les applications métrologiques et permettront des applications potentiellement nouvelles avec des nanofibres laser déformables ultra-résistantes en microélectronique et pour l'administration de médicaments en médecine.
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