Metode optice de nanostructurare

1. Seminar Metamateriale, 4 Decembrie - Academia Română INFLPR Metode optice de nanostructurare Dr. Marian ZAMFIRESCU INFLPR - Bucuresti, Sectia Laseri Atomistilor 409, 077125 Magurele E-mail: marian.zamfirescu@inflpr.ro

2. Sumarul prezentarii • Limita de difractie - Fascicul Gaussian • Nanostructurare sub limita de difractie: • - Focalizarea fasciculelor Bessel-Gauss • - Fascicule Laguerre-Gauss - polarizare radiala • - Focalizare pe varfuri metalice • - Lentila perfecta • - Nanostructurare indusa cu laserul femtosecunde • Sistemul de inscriere directa cu laserulfemtosecunde, rezultate preliminare.

3. NIR A-UV B-UV C-UV l : 1µm 0.4µm 0.3µm 0.2µm Limita de difractie Focalizarea fasciculelor laser cu profil Gaussian este limitata de conditia Abbe: d Dimensiunea structurilor generate de un fascicul laser gaussian poate fi redusa folosind: - obiective de microscop cu apertura numerica mare. - obiective de microscop cu imersie (indice de refractie n mare) - radiatie optica cu lungime de unda scurta (UV - laseri cu excimeri)

4. Focalizare sub limita de difractie J.Durnin, Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory, JOSA A 4, 651 (1987). - Fascicule non-difractive : Masca Intensitate Lentila D Laser Microfascicul Bessel f z J0: dmin≈ 0.75l zmax= 2p Rr/l Apertura inelara: R=2.5mm, Dr=10µm f=300mm, D=7mm l=0.633µm dmin = 0.475 µm zmax = 85cm 

5. R-TEM01* Con la unghi Brewster Mediu activ Oglinda Oglinda de iesire Lumina polarizata radial Polarizare radiala Lentila In cazul luminii polarizate radial dimensiunea spotului focal este mai mic decat in cazul luminii polarizate liniar. (C.C. Sun, C.K.Liu Optics Letters 28, 99 (2003)). Polarizare z Obtinerea luminii polarizate radial: A) Intracavitate: O suprafata conica taiata la unghi Brewster plasata in cavitatea laser determina polarizarea radiala a luminii. (Y.Kozawa, S.Sato Opt. Lett., 30, 3063 (2005))

6. Obtinerea luminii polarizate radial B) Extracavitate: Convertor de polarizare (PC) - 4 cadrane continand 4 lame l/4 cu axa optica dispusa astfel incat directia de oscilatie a campului electromagnetic sa fie orientata radial. R. Dorn, et al. Sharper Focus for a Radially Polarized Light Beam, Phys. Rev. Lett. 91, 233901 (2003) Dimensiunea spotului este mai redusa in cazul polarizarii radiale: - polarizare liniara: d= 0.57 l - polarizare circulara: d= 0.53 l - polarizare radiala: d= 0.45 l

7. Obtinerea luminii polarizate radial Polarizarea radiala se poate obtine interferometric (interferometru Sagnac). TEM01* TEM01 R-TEM21*

8. Focalizarea luminii pe varfuri metalice Focalizarea laserului pe vartul metalic al unui microscop SPM produce pe suprafata probei structuri cu dimensiune laterala de pana la 10nm. S. M. Huang,et al. Pulsed-laser assisted nanopatterning of metallic layers combined with atomic force microscopy. J. Appl. Phys. 91, 3268 (2002). Proba: film 350 Å de Al pe substrat de Si. Laser: 7ns , 532nm, 10MW/cm2.

9. Lentila perfecta (lentila Veselago)

10. Absorbtia neliniara de 2 fotoni in medii transparante laser fsec focalizat Pragul de absorbtie bifotonica direcţia de deplasare Structura generata Materiale: - fotopolimeri (fotopolimerizare)  cristale fotonice, microcavitati optice, etc. - sticle dopate  ghiduri de unda, cuploare optice, etc.

11. Nanostructuri induse cu laserul femtosecunde Durata pulsului fsec este mult mai scurta decat timpul de difuzie termica in materiale solide. Intreaga energie a pulsului laser este transferata materialului expulzat din proba. Structuri cu dimensine minima se obtin prin ajustare intensitatii radiatiei putin peste puterea de prag. Cuarţ topit Energia pe puls: E=140nJ Durata pulsului : 50fsec Putere de prag proba Marius Dumitru, Diploma work - 2005, University of Kassel.

12. Proiectarea sistemului pentru nanostructurare cu laserul femtosecunde LASER 775nm 200 fsec 2KHz CCD ATENUARE VARIABILA FILTRU SPATIAL OGLINDA DICROICA Polarizor Glan l/2 OBIECTIV DE MICROSCOP Marire si apertura numerica mare Translatii XYZ: Motoare pas cu pas - gama de deplasari 4x4x4 mm - pasul de 50nm - precizie 500nm Piezo + senzori - 20x20x20µm - precizie 5nm Translatii XYZ

13. Camera Video Oglinda dicroica Obiectiv 100X Translatii XYZ Sistemul de microprelucrare cu laserul

14. Primele teste de microprelucrare cu laserul femtosecunde Energia pe puls E=50nJ (P = 100µW) - densitate de energie 3 J/cm2 Durata pulsului 200 fsec Frecventa de repetitie nrep = 2KHz Viteza de scriere: v = 2mm/s (1puls / µm) Proba : film de 100nm Au depus pe substrat de Si

15. Dependenta calitatii structurilor de conditiile de scriere 5µJ 0,5µJ Energia pe puls, viteza de scriere, conditiile de focalizare etc. determina calitatea si geometria structurilor. Pentru a obtine structuri cu dimensiuni minime se determina pragul de inducere a efectelor neliniare pentru fiecare material in parte.

16. Concluzii • Rezultatele preliminare demostreaza obtinerea de structuri cu dimensiuni de pana la 1µm, induse cu laserul femtosecunde. • Optimizarea sistemului de microprelucrare si studiul amanuntit al materialelor folosite vor conduce la imbunatatirea calitatii structurilor. • Metode de focalizare neconventionale pot fi folosite pentru a cobora rezolutia de scriere a structurilor sub limita de difractie (sute de nm). • Laserul femtosecunde reprezinta un instrument eficient in fabricarea structurilor cu dimensiuni submicronice (microsenzori, ghiduri de unda optice, cristale fotonice, metamateriale - pentru NIR)