تصنيع 1-D الضوئية التجويف البلوري على ألياف نانوية عن طريق الاجتثاث التي يسببها الليزر الفيمتو ثانية
Summary
نقدم بروتوكول لافتعال 1-D تجاويف الكريستال الضوئية على ألياف السيليكا قطر subwavelength (ألياف النانو البصرية) باستخدام الفيمتو ثانية الاجتثاث التي يسببها الليزر.
Abstract
نقدم بروتوكول لافتعال 1-D الضوئية كريستال (الرعاية الصحية الأولية) تجاويف على subwavelength قطرها الألياف الضوئية مدبب، ألياف النانو البصرية، وذلك باستخدام الفيمتو ثانية الاجتثاث التي يسببها الليزر. وتبين لنا أن الآلاف من الدوري نانو الحفر وملفقة على ألياف نانوية البصري اضاءة فقط مع نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة. لعينة نموذجية، دورية نانو الحفر مع فترة من 350 نانومتر، وقطر مع متفاوتة تدريجيا من 50 – هي ملفقة 250 نانومتر على طول 1 مم على ألياف نانوية مع قطرها حوالي 450-550 نانومتر. أحد الجوانب الرئيسية لهذا nanofabrication هو أن ألياف نانوية نفسها بمثابة عدسة اسطوانية، ويركز على شعاع ليزر الفيمتو ثانية على سطح ظله. وعلاوة على ذلك، وتلفيق احد بالرصاص يجعلها في مأمن من عدم الاستقرار الميكانيكية وغيرها من عيوب التصنيع. هذه الدورية نانو الحفر على ألياف نانوية، بمثابة 1-D الرعاية الصحية الأولية وتمكن انعكاس قوي واسع النطاق مع الحفاظ على انتقال عالية من stopband. نقدم أيضا وسيلة للسيطرة على السيرة الذاتية للمجموعة نانو حفرة لافتعال تجاويف الرعاية الصحية الأولية apodized والناجم عن خلل على ألياف نانوية. الحبس قوي في هذا المجال، على حد سواء العرضي والطولي، في تجاويف الرعاية الصحية الأولية القائمة على ألياف نانوية والتكامل الفعال لشبكات الألياف، قد فتح آفاقا جديدة لتطبيقات بصريات النانو وعلم المعلومات الكمومية.
Introduction
وقد فتحت الحبس قوي من الضوء في أجهزة بصريات النانو آفاق جديدة في العلوم البصرية. وقد مكنت التقنيات الحديثة nanofabrication تلفيق 1-D و D-2 الضوئية كريستال (الرعاية الصحية الأولية) تجاويف لآفاق جديدة في الليزرة 1، 2 الاستشعار والتطبيقات التبديل البصرية 3. وعلاوة على ذلك، فتحت قوي تفاعل ضوء النظر في هذه التجاويف الرعاية الصحية الأولية آفاقا جديدة لعلم المعلومات الكمومية 4. وبصرف النظر عن تجاويف الرعاية الصحية الأولية، أظهرت nanocavities plasmonic أيضا آفاق واعدة 5، 6، 7. ومع ذلك، تفاعل هذه التجاويف لشبكة الاتصالات القائمة على الألياف لا يزال يشكل تحديا.
في السنوات الأخيرة، مدبب الألياف البصرية أحادية النمط مع قطر subwavelength، والمعروفة باسم ألياف نانوية بصري، ظهرت كجهاز بصريات النانو واعد. ويرجع ذلك إلى قويةالحبس عرضية من مجال ألياف نانوية الموجهة والقدرة على التفاعل مع الوسط المحيط، وتكييف ألياف نانوية على نطاق واسع والتحقيق لمختلف التطبيقات بصريات النانو 8. بغض النظر عن ذلك، وأيضا التحقيق فيها بقوة وتنفيذها لمعالجة الكم من الضوء والمادة 9. وقد درس اقتران كفاءة الانبعاثات من بواعث نوعية مثل، عدد قليل من الذرات واحدة / تبريد الليزر ونقاط الكم واحدة، في وسائط ألياف نانوية الموجهة وأظهرت 10، 11، 12، 13، 14، 15. تفاعل ضوء الأمر على ألياف نانوية يمكن أن تحسن بشكل كبير من خلال تنفيذ الرعاية الصحية الأولية هيكل تجويف على ألياف نانوية 16 و 17.
إن الميزة الأساسية لقاوك النظام هو تكنولوجيا الألياف في الخط والتي يمكن دمجها بسهولة في شبكة الاتصال. وقد تجلى نقل الضوء من 99.95٪ من خلال ألياف نانوية مدبب 18. ومع ذلك، فإن انتقال ألياف نانوية عرضة للغبار وتلوث للغاية. وبالتالي، تصنيع هيكل الرعاية الصحية الأولية على ألياف نانوية باستخدام تقنية nanofabrication التقليدية ليست مثمرة للغاية. على الرغم من تلفيق تجويف على ألياف نانوية باستخدام المركزة ايون الشعاع (فيبوناتشي) الطحن وقد تجلى 19، 20، ونوعية البصرية واستنساخ ليست عالية.
في هذا البروتوكول الفيديو، فإننا نقدم في الآونة الأخيرة أظهرت 21، 22 تقنية لصنع تجاويف الرعاية الصحية الأولية على ألياف نانوية باستخدام الاستئصال بالليزر الفيمتو ثانية. يتم تنفيذ افتراءات من خلال خلق نمط التدخل يومين شعاع ليزر الفيمتو ثانية على ألياف نانوية وirradiating نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة. تأثير يصور فوتوغرافيا للألياف نانوية يلعب دورا هاما في جدوى هذه التقنيات، وخلق الحفر الاجتثاث على سطح ظل ألياف نانوية. لعينة نموذجية، دورية نانو الحفر مع فترة من 350 نانومتر، وقطر مع متفاوتة تدريجيا من 50 – هي ملفقة 250 نانومتر على طول 1 مم على ألياف نانوية مع قطرها حوالي 450-550 نانومتر. هذه الدورية نانو الحفر على ألياف نانوية، بمثابة 1-D الرعاية الصحية الأولية. نقدم أيضا وسيلة للسيطرة على السيرة الذاتية للمجموعة نانو حفرة لافتعال تجاويف الرعاية الصحية الأولية apodized والناجم عن خلل على ألياف نانوية.
أحد الجوانب الرئيسية لهذا nanofabrication هو تلفيق جميع البصرية، بحيث يمكن الحفاظ على جودة بصرية عالية. وعلاوة على ذلك، يتم تلفيق من قبل التشعيع من مجرد نبضة ليزر الفيمتو ثانية واحدة، مما المناعة تقنية لعدم الاستقرار الميكانيكية وغيرها من عيوب التصنيع. أيضا هذا يتيح إنتاج في بيت للرعاية الصحية الأولية نانوالألياف تجويف بحيث احتمال تعرضها للتلوث يمكن أن يكون الحد الأدنى. ويهدف هذا البروتوكول إلى مساعدة الآخرين تنفيذ والتكيف مع هذا النوع الجديد من تقنية nanofabrication.
ويبين الشكل 1A الرسم التخطيطي من الإعداد تلفيق. وتناقش تفاصيل إجراءات الإعداد تلفيق والمواءمة في 21 و 22. ليزر الفيمتو ثانية مع 400 مركز نانومتر الطول الموجي، و 120 خ عرض النبضة هو حادث على قناع المرحلة. قناع المرحلة يقسم شعاع ليزر الفيمتو ثانية في ل0 و± 1 أوامر. ويستخدم كتلة شعاع لمنع شعاع 0 النظام. مرايا قابلة للطي بشكل متناظر إعادة تجميع ± 1-أوامر في موقف ألياف نانوية، لخلق نمط التدخل. الملعب من قناع المرحلة هو 700 نانومتر، وبالتالي فإن نمط التدخل لديه في الملعب (Λ G) من 350 نانومتر. عدسة اسطوانية تركز شعاع ليزر الفيمتو ثانية على طول ألياف نانوية. حجم شعاع عبر (العمودي)وعلى طول (Z-محور) وألياف نانوية 60 ميكرون و 5.6 ملم على التوالي. هي التي شنت الألياف مدبب على حامل مجهزة بيزو المحرك (PZT) ليمتد الألياف. ويستخدم الغطاء العلوي مع لوحة من الزجاج لحماية ألياف نانوية من الغبار. يتم إصلاح حامل مع الألياف مدبب على مقعد تلفيق مجهزة الترجمة (XYZ) ومراحل دوران (θ). في المرحلة θ تسمح التناوب على عينة ألياف نانوية في YZ-الطائرة. في المرحلة X يمكن أيضا التحكم في زوايا الميل على طول XY- وXZ-الطائرة. يتم وضع كاميرا CCD على مسافة 20 سم من ألياف نانوية وبزاوية 45 درجة في XY-طائرة لمراقبة الموقف ألياف نانوية. يتم تنفيذ جميع التجارب داخل كشك نظيفة مجهزة HEPA (ذات الكفاءة العالية والجسيمات وجذبا لل) مرشحات لتحقيق ظروف خالية من الغبار. حالة خالية من الغبار أمر ضروري للحفاظ على انتقال ألياف نانوية.
شكل 1معارض ب التخطيطي من القياسات البصرية. خلال تلفيق، ويتم رصد الخصائص البصرية لفترة وجيزة قبل إطلاق النطاق العريض (نطاق الطول الموجي: 700-900 نانومتر) مصدر الضوء إلى جانب الألياف في الألياف مدبب وقياس الطيف من الضوء النافذ وينعكس باستخدام عالية الدقة محلل الطيف. ويستخدم مصدر ليزر CW الانضباطي لإيجاد حل سليم وسائط تجويف ولقياس انتقال تجويف المطلق.
نقدم بروتوكول لتصنيع وتوصيف. وينقسم قسم البروتوكول في ثلاثة أقسام فرعية، وإعداد ألياف نانوية وتصنيع ليزر الفيمتو ثانية وتوصيف العينات ملفقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تأثير يصور فوتوغرافيا للألياف نانوية يلعب دورا هاما في تقنية تصنيع، وبالتالي خلق نانو الحفر على سطح ظل ألياف نانوية (كما هو موضح في الشكل رقم 2). تأثير يصور فوتوغرافيا للألياف نانوية أيضا يجعل من عملية تصنيع قوية لأي عدم الاستقرار الميكانيكية في الاتجاه العر…
Disclosures
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 |
References
- 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).
