Les performances de contrôle de la lumière des cristaux photoniques sont étroitement liées à leur constante de réseau, ce qui nécessite généralement que la constante de réseau soit du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de travail. Dans les matériaux cristallins, la structure du cristal photonique est formée par la disposition périodique d'unités avec des constantes diélectriques différentes de celles du cristal lui-même dans l'espace, et sa constante de réseau dépend de la taille de l'unité et de l'écart entre les unités adjacentes.
Par conséquent, pour obtenir un contrôle de la lumière dans la gamme de la lumière proche infrarouge et visible, il est nécessaire de contrôler avec précision la structure et l'espace de l'unité de cristal photonique à l'échelle nanométrique.
Le laser femtoseconde peut fabriquer directement des structures micro-nano tridimensionnelles à l'intérieur de matériaux transparents, ce qui constitue l'un des meilleurs moyens de construire des structures cristallines photoniques dans des matériaux cristallins. Cependant, la technologie de traitement laser femtoseconde existante pour les cristaux photoniques adopte généralement une stratégie de balayage point par point à faisceau unique, qui est limitée dans la préparation de structures unitaires à l'échelle nanométrique en raison du chevauchement des trajectoires de traitement et de la précision du contrôle de mouvement.
La technologie de traitement des réseaux de micro-lentilles et la technologie de traitement des interférences laser apportent dans une certaine mesure des solutions aux problèmes ci-dessus. Cependant, le premier n’est pas assez flexible et différents réseaux de micro-lentilles doivent être conçus et fabriqués pour différentes structures cibles. Bien que ce dernier ait une grande flexibilité, il ne peut généralement être utilisé que pour traiter des structures plates bidimensionnelles, dépourvues de capacité de personnalisation tridimensionnelle.
Par conséquent, une nouvelle technologie de traitement au laser femtoseconde est nécessaire de toute urgence pour la préparation de structures de cristaux photoniques spatiaux tridimensionnels à l'échelle nanométrique à l'intérieur des cristaux.
Dans un nouvel article publié dans Light :Science &Applications , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Lan Jiang de l'École de génie mécanique de l'Institut de technologie de Pékin, Chine, a développé une méthode de fabrication de structures de cristaux photoniques basée sur la lithographie multifaisceau laser femtoseconde à l'échelle nanométrique en focalisant étroitement un champ lumineux multifaisceau. avec une distribution spatiale tridimensionnelle contrôlable à l'intérieur d'un cristal et en la combinant avec une gravure chimique.
D'une part, la taille et l'espacement des unités structurelles fabriquées peuvent être contrôlés au niveau des sous-longueurs d'onde en concevant la phase optique et la méthode de focalisation étroite. D'autre part, l'utilisation d'un champ lumineux multifaisceau permet un contrôle optique au lieu d'un contrôle électrique, évitant ainsi efficacement les problèmes tels que le chevauchement des points laser et la précision du mouvement des composants qui existent dans le traitement laser à faisceau unique.
La correspondance biunivoque entre la phase spatiale et la distribution du champ lumineux rend cette méthode réalisable. Dans cet article, les chercheurs ont découvert que la période de phase binaire et le flux laser affectent conjointement la taille et l'espacement de la structure traitée, et ont réalisé la préparation d'unités de structure de cristal photonique à une échelle inférieure à la longueur d'onde.
Sur la base du résultat ci-dessus, en ajustant l'échelle de gris de la phase binaire et la méthode de superposition de la phase finale, le champ lumineux multifaisceau avec distribution de flux laser contrôlable et structure spatiale tridimensionnelle peut être personnalisé, et la structure photonique complexe correspondante le cristal peut être traité.
Les tests de spectroscopie Raman et de spectroscopie photoélectronique à rayons X indiquent que les unités structurelles obtenues par cette méthode de traitement sont les mêmes que les résultats du balayage point par point à faisceau unique dans des états sans chevauchement, avec une stabilité et une fiabilité élevées.
Grâce à cette méthode, des structures de réseaux à longue période et sous-longueur d'onde ont été préparées, et les résultats des tests expérimentaux étaient cohérents avec les calculs théoriques, vérifiant ainsi la capacité de traitement de cette méthode.
Ces scientifiques résument les avantages et les perspectives de leur technique :
"(1) Opération simple et faible coût, sans avoir besoin de concevoir différents composants optiques pour traiter différentes structures cibles ; (2) Un contrôle précis des dimensions et des espaces de la structure permet la fabrication de cellules unitaires à cristaux photoniques à l'échelle nanométrique ; (3) Trois La capacité de traitement de structures spatiales complexes en trois dimensions permet la préparation de structures de cristaux photoniques tridimensionnelles à l'intérieur du cristal."
"Le contrôle flexible des nanostructures fait de la méthode rapportée une alternative au tissage de cristaux photoniques complexes avec une structure sub-longueur d'onde. Les potentiels de la méthode de traitement multifaisceau peuvent ouvrir des voies possibles pour fabriquer des nanostructures pour des applications dans la communication optique et la manipulation de la lumière."
Plus d'informations : Jiaqun Li et al, Lithographie multifaisceaux à l'échelle nanométrique de cristaux photoniques avec laser ultrarapide, Lumière :Science et applications (2023). DOI :10.1038/s41377-023-01178-3
Informations sur le journal : La lumière :science et applications
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
