De lichtcontroleprestaties van fotonische kristallen hangen nauw samen met hun roosterconstante, wat doorgaans vereist dat de roosterconstante in dezelfde orde van grootte ligt als de werkgolflengte. In kristalmaterialen wordt de fotonische kristalstructuur gevormd door de periodieke rangschikking van eenheden met verschillende diëlektrische constanten dan het kristal zelf in de ruimte, en de roosterconstante hangt af van de grootte van de eenheid en de opening tussen aangrenzende eenheden.

Om lichtcontrole in het nabij-infrarode en zichtbare lichtbereik te bereiken, is het daarom noodzakelijk om de structuur en de opening van de fotonische kristaleenheden nauwkeurig te controleren op nanometerschaal.

Femtoseconde-laser kan rechtstreeks driedimensionale micro-nanostructuren in transparante materialen fabriceren, wat een van de beste manieren is om fotonische kristalstructuren in kristalmaterialen te construeren. De bestaande femtoseconde-laserverwerkingstechnologie voor fotonische kristallen maakt echter gewoonlijk gebruik van een punt-voor-punt-scanstrategie met één straal, die beperkt is bij de voorbereiding van eenheidsstructuren op nanoschaal vanwege de overlapping van verwerkingstrajecten en de nauwkeurigheid van de bewegingsbesturing.

Micro-lens-array-verwerkingstechnologie en laserinterferentieverwerkingstechnologie bieden tot op zekere hoogte oplossingen voor de bovengenoemde problemen. De eerste is echter niet flexibel genoeg en er moeten verschillende microlensarrays worden ontworpen en vervaardigd voor verschillende doelstructuren. Hoewel deze laatste een hoge flexibiliteit heeft, kan deze meestal alleen worden gebruikt voor het verwerken van platte tweedimensionale structuren, waarbij driedimensionale aanpassingsmogelijkheden ontbreken.

Daarom is er dringend behoefte aan nieuwe femtoseconde-laserverwerkingstechnologie voor de bereiding van driedimensionale ruimtelijke fotonische kristalstructuren op nanoschaal in kristallen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications heeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Lan Jiang van de School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, China, een methode ontwikkeld voor het vervaardigen van fotonische kristalstructuren op basis van femtoseconde laser multi-beam lithografie op nanoschaal door een multi-beam lichtveld strak te focusseren met regelbare driedimensionale ruimtelijke verdeling in een kristal en gecombineerd met chemisch etsen.

Aan de ene kant kunnen de grootte en de opening van de gefabriceerde structurele eenheden worden geregeld op het sub-golflengteniveau door de optische fase en de strakke focusseringsmethode te ontwerpen. Aan de andere kant maakt het gebruik van een lichtveld met meerdere bundels optische controle mogelijk in plaats van elektrische controle, waardoor problemen zoals overlapping van laservlekken en precisie van de beweging van componenten die optreden bij laserverwerking met één bundel effectief worden vermeden.

De één-op-één overeenkomst tussen de ruimtelijke fase en de verdeling van het lichtveld maakt deze methode haalbaar. In dit artikel ontdekten onderzoekers dat de binaire faseperiode en de laserflux gezamenlijk de grootte en opening van de verwerkte structuur beïnvloeden, en realiseerden ze de voorbereiding van fotonische kristalstructuureenheden op subgolflengteschaal.

Gebaseerd op het bovenstaande resultaat, door aanpassing van de grijswaarden van de binaire fase en de superpositiemethode van de laatste fase, kan het meerbundelige lichtveld met regelbare laserfluxverdeling en driedimensionale ruimtelijke structuur worden aangepast, en de overeenkomstige complexe fotonische structuur. kristal kan worden verwerkt.

Raman-spectroscopie en röntgenfoto-elektronenspectroscopietests geven aan dat de structurele eenheden verkregen door deze verwerkingsmethode hetzelfde zijn als de resultaten van punt-voor-punt scannen met een enkele bundel onder niet-overlappende toestanden, met hoge stabiliteit en betrouwbaarheid.

Met behulp van deze methode werden lange-periode- en sub-golflengte-roosterstructuren vervaardigd, en experimentele testresultaten kwamen overeen met theoretische berekeningen, wat de verwerkingscapaciteit van deze methode verder verifieerde.

Deze wetenschappers vatten de voordelen en het perspectief van hun techniek samen:

"(1) Eenvoudige bediening en lage kosten, zonder de noodzaak om verschillende optische componenten te ontwerpen voor het verwerken van verschillende doelstructuren; (2) Nauwkeurige controle van structuurafmetingen en -openingen maakt de fabricage van fotonische kristaleenheidcellen op nanoschaal mogelijk; (3) Drie De verwerkingscapaciteit van complexe ruimtelijke structuren maakt de bereiding van driedimensionale fotonische kristalstructuren in het kristal mogelijk."

"De flexibele controle over nanostructuren maakt de gerapporteerde methode een alternatief voor het weven van complexe fotonische kristallen met een subgolflengtestructuur. De mogelijkheden van de multi-beam verwerkingsmethode kunnen mogelijke manieren openen om nanostructuren te fabriceren voor toepassingen in optische communicatie en lichtmanipulatie."

Meer informatie: Jiaqun Li et al, Multi-beam lithografie op nanoschaal van fotonische kristallen met ultrasnelle laser, Licht:wetenschap en toepassingen (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01178-3

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen