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).

ATTENZIONE: indossare occhiali di sicurezza e rigorosamente evitare l&#39;esposizione diretta alla lampada UV e tutti i laser, tra cui il laser a femtosecondi. Indossare un abito camera pulita e guanti per evitare la contaminazione. Smaltire qualsiasi spazzatura fibra correttamente nella casella di spazzatura designato. 1. Preparazione nanofibre <ol><li> Utilizzare un estrattore di rivestimento in fibra di striscia la giacca polimerica della fibra ottica monomodale per una lunghezza di 5 mm in due punti separati da 200 mm. Pulire le due parti spogliato meccanicamente con camera bianca wipe immersi in metanolo. Immergere della fibra tra queste due parti spogliato in acetone. Attendere 10 - 15 minuti fino a quando la giacca della fibra cadere a pezzi. Estrarre la fibra da acetone e pulire l&#39;intera parte spogliato con camera bianca wipe immerso in metanolo. </li><li> Impostare la fibra spogliato sulle due fasi del nanofibre ottica Fabbricazione attrezzature (ONME) per fabbricare il nanofibre. <ol><li> Avviare il laser della sonda nella fibra e monitorare la transmission utilizzando il fotodiodo e registrare i dati di trasmissione del computer utilizzando la scheda ADC. Avviare il flusso del gas utilizzando il software ONME e accendere la fiamma. Caricare il parametro pre-ottimizzato nel software ONME per la fabbricazione di fibre rastremata con diametro vita di 500 nm e avviare il processo di fabbricazione. NOTA: Il ONME è un dispositivo disponibile in commercio, progettate per fabbricare fibre ottiche rastremate che utilizzano la tecnica del calore e tirare standard. Esso utilizza fiamma ossidrica per riscaldare la fibra e due stadi motorizzati per tirare la fibra. Il flusso di gas ed i movimenti scenici sono controllati da programma per computer. I parametri pre-ottimizzati possono essere ottenute presso il fornitore, su richiesta speciale. </li></ol></li><li> Dopo la fabbricazione, prendere la fibra rastremata al titolare nanofibre utilizzando la resina epossidica curabile UV. Coprire il titolare nanofibre utilizzando il coperchio superiore con lastra di vetro (mostrato in Figura 1a). Mettere il campione all&#39;interno di una scatola pulita e trasferire al femtosecondi launità di ser fabbricazione. </li></ol> Fabrication 2. Laser a femtosecondi <ol><li> Allineamento del setup fabbricazione <ol><li> Mettere una lastra di vetro sul banco di fabbricazione ad una altezza di 15 mm. Irradiare la laser a femtosecondi per 5 s in energia di impulso di 1 MJ. Identificare il laser a femtosecondi indotto l&#39;ablazione dal bianco generazione di luce, e la comparsa di modello di ablazione come un danno-line sul vetro. </li><li> Ripetere la procedura variando l&#39;altezza della lastra di vetro con il X-fase del banco fabbricazione. Per ogni fabbricazione, tradurre Y-fase del banco fabbricazione di 1 mm per rendere la fabbricazione in una nuova posizione. </li><li> Trova l&#39;altezza della linea di ablazione più forte. In questa posizione, con precisione l&#39;angolo di inclinazione e la posizione di uno degli specchi pieghevoli per massimizzare l&#39;ablazione. Inoltre, mettere a punto l&#39;inclinazione della X-stadio del banco di fabbricazione per massimizzare l&#39;ablazione. NOTA: L&#39;angolo di inclinazione dello specchio pieghevole è sintonizzato USIng le manopole di regolazione portaspecchio cinematiche e la posizione dello specchio è sintonizzato traducendo Z stadio in cui è montato. </li><li> Dopo l&#39;ottimizzazione, segnare la posizione della linea di ablazione del software camera CCD e rimuovere la piastra di vetro. NOTA: Il software di controllo per la fotocamera CCD consente l&#39;acquisizione di immagini e segni attingendo l&#39;immagine catturata. Permette inoltre salvare i dati dell&#39;immagine catturata e le marcature. Poiché la X-fase del banco fabbricazione non ha riferimento di posizione assoluta, l&#39;immagine CCD viene utilizzato come riferimento di posizione in X-asse. La risoluzione dell&#39;immagine CCD è 10 micron per pixel. </li><li> Utilizzando il -coater Platino (Pt), rivestire la lastra di vetro per 60 s per depositare uno strato 25 nm di Pt sul vetro. Immagine il pattern di ablazione sulla lastra di vetro usando un microscopio elettronico a scansione (SEM). Se il modello di ablazione mostra struttura periodica con un periodo di 350 nm (figura di interferenza frangia previsto) allora il alignment è ottimizzato. Altrimenti ripetere la procedura (dal punto 2.1.1 - 2.1.4) per le energie impulsi inferiori (fino al 300 μJ) fino a un modello di ablazione periodico è visto. </li></ol></li><li> Fabbricazione di cavità PhC apodizzato <ol><li> Posizionare la fibra rastremata sul banco fabbricazione approssimativamente parallelo alla linea di ablazione segnata sulla telecamera CCD. </li><li> Invia una sonda laser (potenza = 1 mW) attraverso la fibra rastremata e osservare la dispersione dalla fibra rastremata sulla telecamera CCD. La parte più forte dispersione corrisponde alla regione nanofibre grazie al suo diametro subwavelength. </li><li> Tradurre la Z-fase del banco di fabbricazione per centrare il nanofibre per la posizione della linea di ablazione segnata sulla fotocamera CCD. </li><li> Spegnere il laser della sonda e irradiare il laser a femtosecondi con l&#39;energia di impulso minimo (&lt;10 μJ). Tradurre Y-fase a sovrapporsi alla nanofibre con il fascio laser a femtosecondi. La sovrapposizione è identificato dal illuminazione della nanofibre, observed sulla fotocamera CCD. NOTA: Il nanofibre è ora allineato rispetto al fascio laser a femtosecondi lungo Y e Z. </li><li> Per allineare il nanofibre lungo l&#39;asse X, tradurre l&#39;X-stage a sovrapporsi alla posizione nanofibre alla posizione della linea di ablazione segnata sulla telecamera CCD. </li><li> Tradurre la Y-stage per massimizzare la sovrapposizione di nanofibre con il laser a femtosecondi. Osservare la riflessione dei due primi ordini da nanofibre (appare come due punti luminosi sulla lastra di vetro del coperchio superiore). Osservare il movimento di questi punti di riflessione, mentre la traduzione del Y-back stage e indietro. NOTA: Se queste macchie si muovono verso un lato quindi nanofibre non è parallela alla linea di ablazione. In questo caso, ruotare la fase di rotazione per fare il nanofibre parallela alla linea di ablazione. Quando sono parallele, i punti di riflessione apparirà come un flash. </li><li> Dopo aver effettuato la nanofibre parallela alla linea di ablazione, tradurre Y-fase per massimizzare lasovrapporsi fra laser a femtosecondi e nanofibre, misurando la potenza del laser a femtosecondi sparsi nei modi nanofibre guidata utilizzando un fotodiodo al termine della fibra rastremata. Dopo massimizzando la sovrapposizione, ruotare la fase di rotazione all&#39;angolo di fabbricazione θ = 0.5 °. NOTA: Per ottenere la massima sovrapposizione tra il fascio laser a femtosecondi e nanofibre, ci si aspetterebbe il potere della luce laser a femtosecondi sparsi nelle modalità di nanofibre guidata da massimizzare. </li><li> Bloccare il laser a femtosecondi con il misuratore di potenza e impostare l&#39;energia dell&#39;impulso a 0,27 MJ. Modificare le impostazioni laser a femtosecondi per la modalità di irradiazione scatto singolo. NOTA: In questo modo, viene generato un solo impulso quando viene premuto il fuoco-switch, altrimenti non c&#39;è uscita laser. <ol><li> Rimuovere il misuratore di potenza dal percorso del raggio laser e sparare un singolo impulso laser a femtosecondi. Questo completa il processo di fabbricazione. </li></ol></li></ol></li><li> Fabricatisu di cavità PhC difetti indotti <ol><li> Controllare l&#39;allineamento del setup osservando l&#39;ablazione su una lastra di vetro come descritto nella sezione 2.1. Dopo aver trovato l&#39;altezza della linea di ablazione forte, inserire un filo di rame 0,5 millimetri al centro del raggio laser appena prima della maschera di fase. Il filo di rame deve essere lungo l&#39;asse Y (perpendicolare alla linea di ablazione). </li><li> Controllare il pattern di ablazione sulla lastra di vetro mentre cambia la posizione del filo di rame lungo l&#39;asse Z. Fissare la posizione del filo di rame in cui il modello di ablazione mostra un singolo spazio al centro della linea di ablazione. </li><li> Dopo l&#39;allineamento, eseguire la fabbricazione laser a femtosecondi sul nanofibre seguendo la procedura descritta nella sezione 2.2. Per questa realizzazione, impostare l&#39;angolo di fabbricazione per θ = 0 gradi. </li></ol></li></ol> 3. Caratterizzazione dei campioni manufatti <ol><li> Misurazione delle proprietà ottiche <ol><li> Preparare la SETUP per le misure ottiche come mostrato in Figura 1b. Avviare la sorgente di luce a banda larga nella fibra rastremata e misurare lo spettro di trasmissione e riflessione prima e dopo la fabbricazione usando l&#39;analizzatore di spettro. Dopo la fabbricazione, lo spettro di trasmissione mostrerà un stopband corrispondente alla risonanza Bragg del campione fabbricato. </li><li> Ruotare le pale del polarizzatore fibra linea per selezionare la polarizzazione e prendere gli spettri per due polarizzazioni ortogonali X-pol e Y-pol. NOTA: Per la X-pol (polarizzazione lungo le nano-crateri) stopband sarà blu-spostata 21 (verso la lunghezza d&#39;onda più corta) e la dispersione del nanofibre sarà più forte. Quindi, selezionare le polarizzazioni, cercando in spettro e la camera CCD. </li><li> Per una delle polarizzazioni, prendere gli spettri di trasmissione allungando la fibra rastremata utilizzando il PZT (Figura 1b). Prendere gli spettri da stretching la fibra rastremata in passi di 2 micron fino al massimo allungamento lunghezza 20 micron (limitato dalla portata di scansione PZT). Si osservi che la risonanza Bragg sarà spostata verso il rosso (verso la lunghezza d&#39;onda) allungando la fibra rastremata. Da questi spettri, calcolare lo spostamento della risonanza Bragg, per unità di lunghezza che si estende. </li><li> Per risolvere i modi di cavità e misurando la trasmissione cavità assoluto, utilizzare la sorgente laser sintonizzabile CW. Avviare il laser nella fibra rastremata e monitorare la trasmissione con un fotodiodo. </li><li> Impostare la lunghezza d&#39;onda del laser al bordo rosso-laterale del stopband per Y-pol e utilizzare il polarizzatore fibra linea per minimizzare la trasmissione. In questo modo, la componente X-pol viene soppressa e viene selezionata solo la Y-pol. Impostare la lunghezza d&#39;onda del laser a più fuori banda-bordo rosso-side e registrare la trasmissione mentre si estende la fibra rastremata 0 - 20 micron. <ol><li> Ripetere la misurazione cambiando il Wavel laserength al blu-side in passi di 0,3 nm fino a quando l&#39;intero stopband è coperto. Da questi dati, ricostruire l&#39;intero spettro utilizzando i dati per il turno di risonanza per unità di lunghezza misurata estende nel passaggio 3.1.3. NOTA: Per un esempio tipico, il stopband (Bragg risonanza) insieme con i modi della cavità turni di 2 nm di allungamento della fibra rastremata da 20 micron e la tipica gamma spettrale gratuito per le modalità di cavità sono tra 0,05 - 0,5 nm. Per una data lunghezza d&#39;onda del laser di ingresso si può misurare almeno 3 - 4 modi di cavità da stretching fibra rastremata. La distanza in frequenza tra i modi viene dedotto dai dati per lo spostamento di risonanza per unità di lunghezza misurata estende nel passaggio 3.1.3. Ripetendo la misura cambiando la lunghezza d&#39;onda del laser a passi di 0,3 nm, almeno 2 - 3 modi di cavità consecutivi rimisurati nelle misurazioni successive. Si può ricostruire l&#39;intero spettro sovrapponendo i dati di trasmissione per le misurazioni successive mentre matposizione Ching delle modalità cavità ri-misurato. </li></ol></li><li> Ora misurare lo spettro per l&#39;altra polarizzazione con procedura simile, come indicato nei passaggi 3.1.5 e 3.1.5.1. </li></ol></li><li> Imaging campione fabbricato <ol><li> Mettere il campione fabbricato su una piastra metallica 2 cm di lunghezza e fissare le due estremità della fibra rastremata alla piastra metallica usando UV epossidica induribile. Assicurarsi che il lato di irradiazione del campione si affaccia sulla piastra di metallo in modo che il lato oscuro può essere ripreso. </li><li> Utilizzare il Pt-coater per rivestire il campione per 30 s e depositare uno strato di Pt con uno spessore di circa 10 nm. Posizionare il campione nel SEM. Prendere l&#39;immagine SEM del campione in ogni 0.1 mm sull&#39;intera regione fabbricato. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

L&#39;effetto di lente del nanofibre svolge un ruolo importante nella tecnica di fabbricazione, creando nano-crateri sulla superficie ombra del nanofibre (mostrato in Figura 2). L&#39;effetto di lente del nanofibre rende inoltre il processo di fabbricazione robusta per qualsiasi instabilità meccaniche in senso trasversale (asse Y). Inoltre, a causa dell&#39;irraggiamento a colpo singolo, le instabilità lungo gli altri assi non influenzano la fabbricazione come il tempo di irraggiamento è solo 120 fs ...

Forte confinamento della luce in dispositivi nanofotonici ha aperto nuove frontiere nel campo della scienza ottica. Le moderne tecnologie di nanofabbricazione hanno permesso la fabbricazione di 1-D e 2-D Photonic cristallo (PHC) cavità per nuove prospettive in lasing 1, rilevamento 2 e le applicazioni di commutazione ottica 3. Inoltre, forte interazione luce-materia in queste cavità PHC ha aperto nuove strade per informatica quantistica 4. A parte le cavità PHC, nanocavità plasmoniche hanno anche dimostrato prospettive promettenti 5, 6, 7. Tuttavia, tali cavità interfacciamento alla rete di comunicazione a base di fibre rimane una sfida. Negli ultimi anni, fibra ottica monomodale rastremata con diametro subwavelength, noto come nanofibre ottica, è emerso come un dispositivo nanofotonica promettente. A causa della forteconfinamento trasversale del campo di nanofibre guidato e la capacità di interagire con il mezzo circostante, il nanofibre è ampiamente adattato e studiato per varie applicazioni nanofotonici 8. Oltre a questo, è anche fortemente indagato e implementato per la manipolazione quantistica della luce e della materia 9. Accoppiamento efficiente delle emissioni da emettitori quantistica come, pochi atomi singoli / laser-raffreddata e punti quantici singoli, nelle modalità di nanofibre guidato è stato studiato e dimostrato 10, 11, 12, 13, 14, 15. L&#39;interazione luce-materia su nanofibre possono essere significativamente migliorata mediante l&#39;attuazione di PhC struttura cavità sul nanofibre 16, 17. Il vantaggio principale per such un sistema è la tecnologia delle fibre in linea che può essere facilmente integrato alla rete di comunicazione. Trasmissione della luce del 99,95% attraverso la nanofibre conica è stata dimostrata 18. Tuttavia, la trasmissione nanofibre sono estremamente sensibili alla polvere e contaminazione. Pertanto, fabbricazione di strutture PhC su nanofibre usando la tecnica di nanofabbricazione convenzionale non è molto fruttuoso. Sebbene cavità fabbricazione su nanofibre utilizzando Focused fresatura Ion Beam (FIB) è stata dimostrata 19, 20, la qualità ottica e riproducibilità non è alto. In questo protocollo video, vi presentiamo una recentemente dimostrato 21, 22 la tecnica di fabbricare cavità PHC su nanofibre utilizzando l&#39;ablazione laser a femtosecondi. Le invenzioni vengono eseguite mediante la creazione di un modello di interferenza a due raggi del laser a femtosecondi sul nanofibre e IRRADiating un singolo impulso laser a femtosecondi. L&#39;effetto di lente del nanofibre svolge un ruolo importante nella possibilità di tali tecniche, creando crateri ablazione sulla superficie ombra del nanofibre. Per un campione tipico, periodici nano-crateri con un periodo di 350 nm e con un diametro gradualmente variabile da 50 - 250 nm su una lunghezza di 1 mm sono fabbricati su un nanofibre diametro circa 450 - 550 nm. Tali periodici nano-crateri sulla nanofibre, agiscono come un 1-D PhC. Inoltre presentiamo un metodo per controllare il profilo della matrice nano-cratere per fabbricare apodizzato e difetti indotti cavità PHC sul nanofibre. Un aspetto fondamentale di tale nanofabbricazione è la fabbricazione tutta ottica, in modo che l&#39;alta qualità ottica può essere mantenuta. Inoltre, la fabbricazione avviene l&#39;irradiazione di un singolo impulso laser a femtosecondi, rendendo il sistema immunitario di instabilità meccaniche e altre imperfezioni di fabbricazione. Anche questo consente la produzione in-house di PhC nanocavità fibra in modo che la probabilità di contaminazione può essere minimizzato. Questo protocollo ha lo scopo di aiutare gli altri realizzare e adattare questo nuovo tipo di tecnica di nanofabbricazione. Figura 1a mostra il diagramma schematico della configurazione fabbricazione. I dettagli delle procedure di impostazione fabbricazione e di allineamento sono discussi in 21, 22. Un laser a femtosecondi con 400 centro nm e 120 fs larghezza di impulso è incidente su una maschera di fase. La maschera di fase suddivide il fascio laser a femtosecondi a 0 e ± 1 ordini. Un blocco fascio viene utilizzato per bloccare il fascio 0-ordine. Gli specchi pieghevoli simmetricamente ricombinano i ± 1-ordini nella posizione nanofibre, per creare una figura di interferenza. Il passo della maschera di fase è di 700 nm, quindi la figura di interferenza ha un passo (Λ G) di 350 nm. La lente cilindrica focalizza il fascio laser a femtosecondi lungo il nanofibre. La dimensione del fascio di tutti (asse Y)e lungo (asse Z) della nanofibre è di 60 micron e 5,6 mm rispettivamente. La fibra rastremata è montato su un supporto dotato di piezo attuatore (PZT) per allungare la fibra. Una copertura superiore con lastra di vetro viene utilizzato per proteggere il nanofibre dalla polvere. Il titolare con la fibra rastremata è fissato su un banco di fabbricazione dotata di traduzione (XYZ) e le fasi di rotazione (θ). Il θ stadi consente la rotazione del campione nanofibre nel piano YZ. L&#39;X-stadio può anche controllare gli angoli di inclinazione lungo XY e XZ. Una telecamera CCD è posto ad una distanza di 20 cm dal nanofibre e ad un angolo di 45 ° nel piano XY per monitorare la posizione nanofibre. Tutti gli esperimenti sono eseguiti all&#39;interno di una cabina pulita dotato di filtro HEPA (High-Efficiency Particulate arresto) filtri per ottenere condizioni senza polvere. condizione privo di polvere è essenziale per mantenere la trasmissione del nanofibre. Figura 1b mostra lo schema delle misure ottiche. Durante la fabbricazione, le proprietà ottiche sono brevemente monitorati lanciando una banda larga (lunghezza d&#39;onda 700 - 900 nm) sorgente luminosa fibra accoppiata nella fibra rastremata e misurando lo spettro della luce trasmessa e riflessa con alta risoluzione analizzatore di spettro. Una sorgente laser sintonizzabile CW è utilizzato per risolvere correttamente i modi di cavità e misurare la trasmissione cavità assoluto. Vi presentiamo il protocollo per la fabbricazione e la caratterizzazione. La sezione protocollo è divisa in tre sezioni, la preparazione nanofibre, fabbricazione laser a femtosecondi e caratterizzazione dei campioni fabbricati.

<table><tbody><tr><td>Femtosecond Laser</td><td>Coherent Inc.</td><td>Libra HE</td><td></td></tr><tr><td>Phase Mask</td><td>Ibsen Photonics</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Optial Nanofiber Manufacturing Equipment&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Ishihara Sangyo</td><td>ONME</td><td></td></tr><tr><td>ADC Card</td><td>PicoTech</td><td>ADC-24</td><td></td></tr><tr><td>Single mode fiber</td><td>Fujikura</td><td>FutureGuide-SM</td><td></td></tr><tr><td>Broadband source</td><td>NKT Photonics</td><td>SuperK EXTREME</td><td></td></tr><tr><td>CW Tunable Laser</td><td>Coherent Inc.</td><td>MBR-110</td><td></td></tr><tr><td>Spectrum analyser (Transmission spectrum)</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>Nicolet 8700</td><td></td></tr><tr><td>Spectrum analyser (Reflection spectrum)</td><td>Ocean Optics</td><td>QE65000</td><td></td></tr><tr><td>CCD Camera</td><td>Thorlabs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>Power Meter</td><td>Thorlabs</td><td>D3MM</td><td></td></tr><tr><td>Pt-Coater</td><td>Vacuum Device Inc.</td><td>MSP-1S</td><td></td></tr><tr><td>Scanning Electron Microscope</td><td>Keyence</td><td>VE-9800</td><td></td></tr><tr><td>UV Curable Epoxy</td><td>NTT-AT</td><td>AT8105</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode</td><td>ThorLabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Clean room wipe</td><td>TExWipe</td><td>TX-404</td><td></td></tr><tr><td>Fiber coating stripper</td><td>NTT-AT</td><td>Fiber nippers 250 &amp;mu;m&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Cover glass</td><td>Matsunami Glass IND,LTD</td><td>NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PZT</td><td>NOLIAC</td><td>NAC 2011-H20</td><td></td></tr><tr><td>Cylindrical lens stage</td><td>NewPort</td><td>M-481-A&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Y,Z stages</td><td>Chuo Precision Industrial Co., LTD.</td><td>LD-149-C7</td><td></td></tr><tr><td>Rotation stage</td><td>SIGMA KOKI</td><td>KSPB-1026MH</td><td></td></tr><tr><td>Z-stage(1), Z-stage(2)</td><td>NewPort</td><td>M-460P&amp;nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication of 1-d photonic crystal cavity on a nanofiber using femtosecond laser-induced ablation

Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di 1-D Photonic Crystal (PhC) cavità sul subwavelength diametro fibre ottiche rastremate, nanofibre ottiche, utilizzando femtosecondi ablazione laser-indotta. Abbiamo dimostrato che migliaia di periodici nano-crateri sono fabbricati su un nanofibre ottica irradiando con appena un singolo impulso laser a femtosecondi. Per un campione tipico, periodici nano-crateri con un periodo di 350 nm e con un diametro gradualmente variabile da 50 - 250 nm su una lunghezza di 1 mm sono fabbricati su un nanofibre diametro circa 450 - 550 nm. Un aspetto fondamentale di tale nanofabbricazione è che il nanofibre stesso agisce come una lente cilindrica e focalizza il fascio laser a femtosecondi sulla sua superficie ombra. Inoltre, il colpo singolo fabbricazione rende immune a instabilità meccaniche e altre imperfezioni di fabbricazione. Tali periodici nano-crateri sulla nanofibre, agiscono come un 1-D PhC e consentono forte e banda larga di riflessione, pur mantenendo l&#39;elevata trasmissione fuori dal stopband. Inoltre presentiamo un metodo per controllare il profilo della matrice nano-cratere per fabbricare apodizzato e difetti indotti cavità PHC sul nanofibre. La forte confinamento del campo, sia trasversale e longitudinale, nelle cavità PHC nanofibre-based e l&#39;efficiente integrazione delle reti in fibra, può aprire nuove possibilità per applicazioni nanofotonici e informatica quantistica.

La Figura 2 mostra l&#39;immagine SEM di un segmento tipico del campione nanofibre fabbricato. Essa mostra che periodiche nano-crateri si formano sul lato ombra del nanofibre, con una periodicità di 350 nm corrispondente bene alla figura di interferenza. L&#39;inserto mostra la vista ingrandita del campione. La forma dei nano-crateri è quasi circolare e il diametro di un tipico nano-cratere è di circa 210 nm. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1...

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Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di 1-D cavità a cristallo fotonico in fibre di silice diametro subwavelength (nanofibre ottici) utilizzando femtosecondi ablazione laser-indotta.

Fabbricazione di 1-D Photonic cristallo cavità su una nanofibre Utilizzando ablazione laser a femtosecondi-indotta

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

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9.7K Views.  University of Electro-Communications.  Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di 1-D cavità a cristallo fotonico in fibre di silice diametro subwavelength (nanofibre ottici) utilizzando femtosecondi ablazione laser-indotta. 

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Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Fabbricazione di Microrisonatori silice Ultra High Quality Factor

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

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A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Un metodo per fabbricare nanostrutture d&#39;argento disconnesse in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabbricazione e caratterizzazione di guide d&#39;onda fotoniche di cristallo di luce lenta e cavità

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Fabbricazione di nano-ingegneria trasparenti Ossidi Conducting da Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Fabbricazione di microsfere di polimeri per risonatore ottico e applicazioni laser

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode scanners. In classical optics, the intensity that can be brought to bear on a remote target is limited by the spot size of the laser at the distance of the target. This spot size has a lower bound determined by the diffraction limit of classical optics. However, amplified femtosecond laser pulses generate intensity sufficient to modify the refractive index of the ambient air and undergo self-focusing. This self-focusing effect leads to the generation of highly intense laser filaments which maintain their intensity and small sub-millimeter diameter size at distances well beyond the classical Rayleigh length. Such intensity provides the capability of remote scanning, imaging, sensing, and spectroscopy with enhanced spatial resolution. We describe a technique for generating filaments with a femtosecond regenerative chirped-pulse amplifier, and for using the resulting filament to conduct imaging and spectroscopic measurements at remote distances of at least several meters.

High-intensity femtosecond pulses of laser light can undergo cycles of Kerr self-focusing and plasma defocusing, propagating an intense sub-millimeter-diameter beam over long distances. We describe a technique for generating and using these filaments to perform remote imaging and sensing beyond the classical diffraction limits of linear optics.

Filamenti di Laser a femtosecondi per Imaging Sub Diffraction-Limited e telerilevamento

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser is built completely using commercially available parts, including $8,000 in fiber optic and pump laser components, plus $4,800 in standard optical components and extra-cavity accessories. Researchers new to fiber optic device fabrication may also consider investing in basic fiber splicing and laser pulse characterization equipment (~$63,000). Important for optimal laser operation, methods to verify true versus apparent (partial or noise-like) mode-locked performance are presented. This system achieves 70 fs pulse duration with a center wavelength of approximately 1,070 nm and a pulse repetition rate of 31 MHz. This fiber laser exhibits the peak performance that may be obtained for an easily assembled fiber laser system, which makes this design ideal for research laboratories aiming to develop compact and portable fs laser technologies that enable new implementations of clinical multiphoton microscopy and fs surgery.

A method is presented to build a custom low-cost, mode-locked femtosecond fiber laser for potential applications in multiphoton microscopy, endoscopy, and photomedicine. This laser is built using commercially available parts and basic splicing techniques.

Fabbricazione personalizzata a basso costo e funzionamento bloccato in modalità di un laser in fibra Femtosecond a dispersione all'innormale per la microscopia multifotone

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate tremendous acceleration on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid manipulation at the microscale, although more recently SAW has been used to produce similar phenomena at the nanoscale through an entirely different set of mechanisms. Controllable nanoscale fluid manipulation offers a broad range of opportunities in ultrafast fluid pumping and biomacromolecule dynamics useful for physical and biological applications. Here, we demonstrate nanoscale-height channel fabrication via room-temperature lithium niobate (LN) bonding integrated with a SAW device. We describe the entire experimental process including nano-height channel fabrication via dry etching, plasma-activated bonding on lithium niobate, the appropriate optical setup for subsequent imaging, and SAW actuation. We show representative results for fluid capillary filling and fluid draining in a nanoscale channel induced by SAW. This procedure offers a practical protocol for nanoscale channel fabrication and integration with SAW devices useful to build upon for future nanofluidics applications.

We demonstrate fabrication of nanoheight channels with the integration of surface acoustic wave actuation devices upon lithium niobate for acoustic nanofluidics via liftoff photolithography, nano-depth reactive ion etching, and room-temperature plasma surface-activated multilayer bonding of single-crystal lithium niobate, a process similarly useful for bonding lithium niobate to oxides.

Fabbricazione di canali Nanoheight che incorporano l'atuazione delle onde acustiche superficiali tramite Litio Niobate per la Nanofluidica acustica

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Fabbricazione di un etalon di Fabry-Pérot per l'applicazione nella spettroscopia di gas in tracce

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are used for their high sensitivity as well as their exceptional filtering capability. However, air-spaced etalons with high finesse are usually built by specialized facilities. Their production requires a clean room, special glass handling, and coating machinery, meaning commercially available FPEs are sold for a high price. In this article, a new and cost-effective method to fabricate fiber-coupled FPEs with standard photonic laboratory equipment is presented. The protocol should serve as a step-by-step guide for the construction and characterization of these FPEs. We hope this&#160;will enable researchers to conduct fast and cost-effective prototyping of FPEs for various fields of application. The FPE, as presented here, is used for spectroscopic applications. As shown in the representative results section via proof of principle measurements of water vapor in ambient air, this FPE has a finesse of 15, which is sufficient for the photothermal detection of trace concentrations of gases.

Autore in primo piano: Fabbricazione di un etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria  

This protocol describes the construction of a low-cost, discrete, fiber-coupled, and air-spaced Fabry-Perot etalon with various applications, such as in trace-gas spectroscopy. The fabrication is possible in any facility with standard optical laboratory equipment available.

Fabbricazione di un Etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...

Fabbricazione di 1-D Photonic cristallo cavità su una nanofibre Utilizzando ablazione laser a femtosecondi-indotta

Riepilogo

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Capitoli in questo video

Fabbricazione di Microrisonatori silice Ultra High Quality Factor

Un metodo per fabbricare nanostrutture d'argento disconnesse in 3D

Fabbricazione e caratterizzazione di guide d'onda fotoniche di cristallo di luce lenta e cavità

Fabbricazione di nano-ingegneria trasparenti Ossidi Conducting da Pulsed Laser Deposition

Fabbricazione di microsfere di polimeri per risonatore ottico e applicazioni laser

Filamenti di Laser a femtosecondi per Imaging Sub Diffraction-Limited e telerilevamento

Fabbricazione personalizzata a basso costo e funzionamento bloccato in modalità di un laser in fibra Femtosecond a dispersione all'innormale per la microscopia multifotone

Fabbricazione di canali Nanoheight che incorporano l'atuazione delle onde acustiche superficiali tramite Litio Niobate per la Nanofluidica acustica

Fabbricazione di un Etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria

Fabbricazione di un Etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria