Le prestazioni di controllo della luce dei cristalli fotonici sono strettamente correlate alla loro costante reticolare, che tipicamente richiede che la costante reticolare sia dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda di lavoro. Nei materiali cristallini, la struttura cristallina fotonica è formata dalla disposizione periodica di unità con costanti dielettriche diverse rispetto al cristallo stesso nello spazio, e la sua costante reticolare dipende dalla dimensione dell'unità e dallo spazio tra le unità adiacenti.
Pertanto, per ottenere il controllo della luce nella gamma della luce visibile e del vicino infrarosso, è necessario controllare con precisione la struttura dell'unità del cristallo fotonico e il divario su scala nanometrica.
Il laser a femtosecondi può fabbricare direttamente micro-nanostrutture tridimensionali all'interno di materiali trasparenti, che è uno dei modi migliori per costruire strutture cristalline fotoniche in materiali cristallini. Tuttavia, l'attuale tecnologia di elaborazione laser a femtosecondi per i cristalli fotonici adotta solitamente una strategia di scansione punto per punto a raggio singolo, che è limitata nella preparazione di strutture di unità su scala nanometrica a causa della sovrapposizione delle traiettorie di elaborazione e della precisione del controllo del movimento.
La tecnologia di elaborazione della serie di microlenti e la tecnologia di elaborazione dell'interferenza laser forniscono soluzioni ai problemi di cui sopra in una certa misura. Tuttavia, il primo non è sufficientemente flessibile e devono essere progettati e fabbricati diversi array di microlenti per diverse strutture target. Sebbene quest'ultimo abbia un'elevata flessibilità, solitamente può essere utilizzato solo per elaborare strutture bidimensionali piatte, mancando di capacità di personalizzazione tridimensionale.
Pertanto, è urgentemente necessaria una nuova tecnologia di elaborazione laser a femtosecondi per la preparazione di strutture di cristalli fotonici spaziali tridimensionali su scala nanometrica all'interno dei cristalli.
In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , un team di scienziati, guidato dal professor Lan Jiang della Scuola di ingegneria meccanica, Istituto di tecnologia di Pechino, Cina, ha sviluppato un metodo per fabbricare strutture di cristalli fotonici basati sulla litografia multi-raggio laser a femtosecondi su scala nanometrica concentrando strettamente un campo di luce multi-raggio con distribuzione spaziale tridimensionale controllabile all'interno di un cristallo e combinandolo con l'attacco chimico.
Da un lato, la dimensione e il gap delle unità strutturali fabbricate possono essere controllati a livello sub-lunghezza d'onda progettando la fase ottica e il metodo di messa a fuoco stretta. D'altra parte, l'uso di un campo luminoso a raggio multiplo consente il controllo ottico invece del controllo elettrico, evitando efficacemente problemi come la sovrapposizione dello spot laser e la precisione del movimento dei componenti che esistono nella lavorazione laser a raggio singolo.
La corrispondenza uno a uno tra la fase spaziale e la distribuzione del campo luminoso fornisce la fattibilità di questo metodo. In questo articolo, i ricercatori hanno scoperto che il periodo di fase binaria e il flusso laser influenzano congiuntamente le dimensioni e lo spazio vuoto della struttura elaborata, e hanno realizzato la preparazione di unità di struttura cristallina fotonica su scala sub-lunghezza d'onda.
Sulla base del risultato di cui sopra, regolando la scala di grigi della fase binaria e il metodo di sovrapposizione della fase finale, è possibile personalizzare il campo luminoso multi-raggio con distribuzione del flusso laser controllabile e struttura spaziale tridimensionale, e la corrispondente struttura complessa fotonica il cristallo può essere lavorato.
I test di spettroscopia Raman e di spettroscopia fotoelettronica a raggi X indicano che le unità strutturali ottenute con questo metodo di elaborazione sono le stesse dei risultati della scansione punto per punto a raggio singolo in stati non sovrapposti, con elevata stabilità e affidabilità.
Utilizzando questo metodo, sono state preparate strutture a reticolo a lungo periodo e a lunghezza d'onda inferiore e i risultati dei test sperimentali erano coerenti con i calcoli teorici, verificando ulteriormente la capacità di elaborazione di questo metodo.
Questi scienziati riassumono i vantaggi e le prospettive della loro tecnica:
"(1) Funzionamento semplice e basso costo, senza la necessità di progettare diversi componenti ottici per l'elaborazione di diverse strutture target; (2) Il controllo preciso delle dimensioni e degli spazi della struttura consente la fabbricazione di celle unitarie a cristalli fotonici su scala nanometrica; (3) Tre La capacità di elaborazione di strutture spaziali complesse bidimensionali consente la preparazione di strutture cristalline fotoniche tridimensionali all'interno del cristallo."
"Il controllo flessibile sulle nanostrutture rende il metodo riportato un'alternativa alla tessitura di cristalli fotonici complessi con struttura a lunghezza d'onda inferiore. Le potenzialità del metodo di elaborazione multi-raggio possono aprire possibili modi per fabbricare nanostrutture per applicazioni nella comunicazione ottica e nella manipolazione della luce."
Ulteriori informazioni: Jiaqun Li et al, Litografia multiraggio su scala nanometrica di cristalli fotonici con laser ultraveloce, Luce:scienza e applicazioni (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01178-3
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
