Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation
Summary
Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von 1-D photonischer Kristall Hohlräume auf Sublambdabereich Durchmesser Quarzfasern (optische Nanofasern) unter Verwendung von Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation.
Abstract
Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von 1-D Photonic-Kristall (PHC) Hohlräume auf Sublambdabereich Durchmesser verjüngte optische Fasern, optische Nanofasern, Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation unter Verwendung. Wir zeigen, dass Tausende von periodischen Nano Kratern auf einem optischen Nanofaser hergestellt werden, indem sie mit nur einem Femtosekunden-Laserpuls bestrahlt wird. Für eine typische Probe, periodische Nano Kratern mit einer Periode von 350 nm und mit variierendem Durchmesser allmählich 50-250 nm über eine Länge von 1 mm auf einer Nanofaser mit einem Durchmesser hergestellt rund 450-550 nm. Ein wichtiger Aspekt einer solchen nanofabrication ist, dass die Nanofaser selbst als eine zylindrische Linse und fokussiert den Femtosekundenlaserstrahl auf seiner Schattenfläche. Darüber hinaus macht die Single-Shot-Herstellung es immun gegen mechanische Instabilitäten und andere Herstellungs Unvollkommenheiten. Solche periodischen Nano Krater auf Nanofaser, wirken als 1-D PhC und stark und Breitband-Reflexion ermöglichen, während die hohe Übertragung aus dem Sperrbereich Aufrechterhaltung. Wir stellen ebenfalls ein Verfahren, das Profil des Nano Kraters Array zu steuern apodisierte und defektinduzierten PhC Hohlräume auf der Nanofaser herzustellen. Die starke Begrenzung des Feldes sowohl Quer- und Längs in den Nanobasis PhC Hohlräume und die effiziente Integration in die Glasfasernetze, öffnen Sie können neue Möglichkeiten für nanophotonischer Anwendungen und Quanteninformationswissenschaft.
Introduction
Starke Führung von Licht in nanophotonischer Geräte hat neue Grenzen in der optischen Wissenschaft eröffnet. Moderne nanofabrication Technologien haben es ermöglicht die Herstellung von 1-D und 2-D – Photonic – Kristall (PHC) Hohlräume für neue Perspektiven in Laser 1, 2 und Erfassen optische Schaltanwendungen 3. Darüber hinaus starke Wechselwirkung Licht-Materie in diesen PhC Hohlräume hat 4 neue Wege für die Quanteninformationswissenschaft eröffnet. Neben PhC Hohlräumen, Plasmonen Nanokavitäten haben auch viel versprechende Perspektiven 5 gezeigt , 6, 7. Allerdings ist eine solche Hohlräume faserbasierten Kommunikationsnetzwerk eine Schnittstelle bleibt eine Herausforderung.
In den letzten Jahren verjüngte optische Einmodenfaser mit Subwellenlängen Durchmesser als optische Nanofasern bekannt, hat sich als vielversprechende nanophotonischer Gerät entstanden. Aufgrund der starkenQuer Einschließung des Nanofaser geführten Bereich und die Fähigkeit , mit dem umgebenden Medium zu interagieren, wird die Nanofaser weitgehend angepasst und für verschiedene Anwendungen nanophotonischer 8 untersucht. Abgesehen davon ist es auch stark untersucht und für die Quanten Manipulation von Licht umgesetzt und 9 Materie. Effiziente Kopplung der Emission von Quantenemitter wie, Einzel- / wenige lasergekühlten Atomen und einzelnen Quantenpunkten, in die Nano geführten Moden wurde untersucht und gezeigt , 10, 11, 12, 13, 14, 15. Die Licht-Materie – Wechselwirkung auf Nanofaser kann signifikant durch Struktur PhC Hohlraum auf der 16 Nanofaser verbessert werden, 17.
Der entscheidende Vorteil für such ein System ist die Faser-in-line-Technologie, die mit dem Kommunikationsnetz ohne weiteres integriert werden kann. Lichtdurchlässigkeit von 99,95% durch die sich verjüngende Nanofaser wurde 18 gezeigt. Jedoch ist die Nanofaserübertragungs extrem anfällig gegenüber Staub und Verschmutzung. Daher wird die Herstellung von PhC Struktur auf Nano herkömmlichen Nanofabrikationstechnik ist nicht sehr fruchtbar. Obwohl Hohlraum Fertigung auf Nano Focused Ion Beam (FIB) Fräsen hat 19 gezeigt worden, 20, ist die optische Qualität und Reproduzierbarkeit nicht so hoch.
In diesem Video – Protokoll präsentieren wir eine kürzlich 21 gezeigt, 22 Technik PhC Hohlräume auf Nanofaser mit Femtosekunden – Laser – Ablation herzustellen. Die Herstellungen werden durchgeführt, indem ein Zweistrahl-Interferenzmuster des Femtosekundenlasers auf der Nanofaser und IRRAD Schaffungiating einen einzigen Femtosekunden-Laserpuls. Der Linseneffekt der Nanofaser spielt eine wichtige Rolle bei der Realisierbarkeit derartiger Techniken, Ablation Kratern auf der Schattenfläche des Nanofaser zu schaffen. Für eine typische Probe, periodische Nano Kratern mit einer Periode von 350 nm und mit variierendem Durchmesser allmählich 50-250 nm über eine Länge von 1 mm auf einer Nanofaser mit einem Durchmesser hergestellt rund 450-550 nm. Solchen periodischen Nano Krater auf Nanofaser, wirken als ein 1-D PhC. Wir stellen ebenfalls ein Verfahren, das Profil des Nano Kraters Array zu steuern apodisierte und defektinduzierten PhC Hohlräume auf der Nanofaser herzustellen.
Ein wesentlicher Aspekt solcher nanofabrication ist die ganze optische Verarbeitung, so dass eine hohe optische Qualität beibehalten werden kann. Darüber hinaus ist die Fertigung durch die Bestrahlung mit einem einzigen Femtosekundenlaserpulses, so dass die Technik immun gegen mechanische Instabilitäten und andere Herstellungsunvollkommenheiten getan. Auch dies ermöglicht Inhouse-Produktion von PhC nanoFaserhohlraum so, dass die Wahrscheinlichkeit der Kontamination minimiert werden kann. Dieses Protokoll soll andere implementieren und passen diese neue Art von Nanofabrikationstechnik zu helfen.
Figur 1a zeigt die schematische Darstellung der Herstellungseinrichtung. Die Einzelheiten der Herstellungsaufbau und Ausrichtungsverfahren werden in 21 diskutiert, 22. Ein Femtosekundenlaser mit 400 nm Mittenwellenlänge und 120 fs Impulsbreite fällt auf eine Phasenmaske. Die Phasenmaske teilt den Femtosekunden-Laserstrahl in 0 und ± 1 Aufträge. Ein Strahlblock wird verwendet, um die 0-ter Ordnung Strahl zu blockieren. Die klappbaren Spiegeln die ± 1-Ordnungen an der Nanofaser Position symmetrisch rekombinieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die Steigung der Phasenmaske beträgt 700 nm, so dass das Interferenzmuster eine Steigung (Λ G) von 350 nm. Die zylindrische Linse fokussiert das Femtosekunden-Laserstrahl entlang der Nanofaser. Die Strahlgröße über (Y-Achse)und zusammen (Z-Achse) der Nanofaser beträgt 60 & mgr; m und 5,6 mm, respectively. Die sich verjüngende Faser wird auf einem Halter montiert ist, ausgestattet mit Piezoaktors (PZT) für die Faser Dehnung. Eine obere Abdeckung mit Glasplatte wird verwendet, um die Nanofaser vor Staub zu schützen. Der Halter mit der sich verjüngenden Faser wird auf einer Fertigungs Bank mit Übersetzung (XYZ) und Rotation (θ) Stufen ausgestattet fixiert. Die θ-Stufe ermöglicht eine Drehung des Nanofaserprobe in der YZ-Ebene. Die X-Bühne kann steuern, auch die Neigungswinkel entlang XY- und XZ-Ebene. Eine CCD – Kamera ist in einem Abstand von 20 cm von der Nanofaser und in einem Winkel von 45 ° in der XY-Ebene angeordnet , um die Nanofaserlage zu überwachen. Alle Experimente werden in einem Reinraumkabine ausgestattet mit HEPA (High-Efficiency Particulate Arretieren) Filter durchgeführt, um staubfreien Bedingungen erreichen. Staubfreien Zustand ist wichtig, um die Übertragung der Nanofaser zu erhalten.
Abbildung 1b zeigt die schematische Darstellung der optischen Messungen. Während der Herstellung werden die optischen Eigenschaften durch die Einführung eines Breitband (Wellenlängenbereich: 700-900 nm) kurz überwacht fasergekoppelte Lichtquelle in die sich verjüngende Faser und die Messung des Spektrums des gesendeten und dem reflektierten Licht hochauflösende Spektrumanalysator. Eine abstimmbare CW-Laserquelle wird verwendet, um richtig die Resonatormoden zu lösen und den absoluten Hohlraum Übertragung zu messen.
Wir stellen das Protokoll für die Herstellung und Charakterisierung. Der Protokollabschnitt ist in drei Unterabschnitte, Nanofaservorbereitung, Femtosekundenlaser Herstellung und Charakterisierung der hergestellten Proben aufgeteilt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Linseneffekt der Nanofaser spielt eine wichtige Rolle in der Herstellungstechnik, wodurch Nano Kratern auf der Schattenfläche des Nanofaser (gezeigt in 2) zu schaffen. Der Linseneffekt der Nanofaser macht auch die Herstellungsverfahren robust keinen mechanischen Instabilitäten in der Querrichtung (Y-Achse). Außerdem wird durch Single-Shot – Bestrahlung, die Instabilitäten entlang der anderen Achsen wirken sich nicht auf die Herstellung als die Bestrahlungszeit nur 120 fs ist (dh Impulsb…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) through the Strategic Innovation Program. KPN acknowledges support from a grant-in-aid for scientific research (Grant no. 15H05462) from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).
Materials
| Femtosecond Laser | Coherent Inc. | Libra HE | |
| Phase Mask | Ibsen Photonics | Custom Made | |
| Optial Nanofiber Manufacturing Equipment | Ishihara Sangyo | ONME | |
| ADC Card | PicoTech | ADC-24 | |
| Single mode fiber | Fujikura | FutureGuide-SM | |
| Broadband source | NKT Photonics | SuperK EXTREME | |
| CW Tunable Laser | Coherent Inc. | MBR-110 | |
| Spectrum analyser (Transmission spectrum) | Thermo Fisher Scientific | Nicolet 8700 | |
| Spectrum analyser (Reflection spectrum) | Ocean Optics | QE65000 | |
| CCD Camera | Thorlabs | DCC1545M | |
| Power Meter | Thorlabs | D3MM | |
| Pt-Coater | Vacuum Device Inc. | MSP-1S | |
| Scanning Electron Microscope | Keyence | VE-9800 | |
| UV Curable Epoxy | NTT-AT | AT8105 | |
| Photodiode | ThorLabs | PDA 36A-EC | |
| Clean room wipe | TExWipe | TX-404 | |
| Fiber coating stripper | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm | |
| Cover glass | Matsunami Glass IND,LTD | NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm | |
| PZT | NOLIAC | NAC 2011-H20 | |
| Cylindrical lens stage | NewPort | M-481-A | |
| Y,Z stages | Chuo Precision Industrial Co., LTD. | LD-149-C7 | |
| Rotation stage | SIGMA KOKI | KSPB-1026MH | |
| Z-stage(1), Z-stage(2) | NewPort | M-460P | |
| Fiber coating stripper | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm |
Riferimenti
- Painter, O. J., et al. Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser. Science. 284, 1819-1821 (1999).
- Loncar, M., Scherer, A., Qiu, Y. Photonic crystal laser sources for chemical detection. Appl. Phys. Lett. 82, 4648 (2003).
- Tanabe, T., Notomi, M., Mitsugi, S., Shinya, A., Kuramochi, E. All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 87, 151112 (2005).
- Yoshie, T., et al. Vacuum Rabi splitting with a single quantum dot in a photonic crystal nanocavity. Nature. 432, 200-203 (2004).
- Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
- Noginov, M. A., et al. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature. 460, 1110-1112 (2009).
- Zhang, X. Y., Zhang, T., Hu, A., Song, Y. J., Duley, W. W. Controllable plasmonic antennas with ultra narrow bandwidth based on silver nano-flags. Appl. Phys. Lett. 101, 153118 (2012).
- Tong, L., Zi, F., Guo, X., Lou, J. Optical microfibers and nanofibers: A tutorial. Opt. Comm. 285, 4641-4647 (2012).
- Morrissey, M. J., et al. Spectroscopy, manipulation and trapping of neutral atoms, molecules, and other particles using optical nanofibers: A review. Sensors. 13, 10449-10481 (2013).
- Kien, F. L., Dutta Gupta, S., Balykin, V. I., Hakuta, K. Spontaneous emission of a cesium atom near a nanofiber: Efficient coupling of light to guided modes. Phys. Rev. A. 72, 032509 (2005).
- Nayak, K. P., Melentiev, P. N., Morinaga, M., Kien, F. L., Balykin, V. I., Hakuta, K. Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence. Opt. Express. 15, 5431-5438 (2007).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Single atoms on an optical nanofiber. New J. Phys. 10, 053003 (2008).
- Nayak, K. P., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Antibunching and bunching of photons in resonance fluorescence from a few atoms into guided modes of an optical nanofiber. Phys. Rev. A. 79, 021801 (2009).
- Yalla, R., Nayak, K. P., Hakuta, K. Fluorescence photon measurements from single quantum dots on an optical nanofiber. Opt. Express. 20, 2932-2941 (2012).
- Yalla, R., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Efficient Channeling of Fluorescence Photons from Single Quantum Dots into Guided Modes of Optical Nanofiber. Phys. Rev. Lett. 109, 063602 (2012).
- Kien, F. L., Hakuta, K. Cavity-enhanced channeling of emission from an atom into a nanofiber. Phys. Rev. A. 80, 053826 (2009).
- Kato, S., Aoki, T. Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity. Phys. Rev. Lett. 115, 093603 (2015).
- Hoffman, J. E., et al. Ultrahigh transmission optical nanofibers. AIP Advances. 4, 067124 (2014).
- Nayak, K. P., et al. Cavity formation on an optical nanofiber using focused ion beam milling technique. Opt. Express. 19, 14040-14050 (2011).
- Kien, F. L., Nayak, K. P., Hakuta, K. Nanofibers with Bragg gratings from equidistant holes. J. Modern Opt. 59, 274-286 (2012).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique. Opt. Express. 21, 2480-2490 (2013).
- Nayak, K. P., Zhang, P., Hakuta, K. Optical nanofiber-based photonic crystal cavity. Opt. Lett. 39, 232-235 (2014).
- Becker, M., et al. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry. Opt. Express. 16, 19169-19178 (2008).
