Формирователь дискретного оптического нановолновода

Авторы патента:

Полезная модель относится к прикладной науке и технике, а именно к устройствам по изготовлению наноразмерных пространственно-дискретных структур для направленной передачи оптического излучения, которые могут быть использованы, в частности, для передачи информации в оптоэлектронике, компьютерной технике и для замены обычных оптических волокон в оптоволоконных системах связи. Формирователь дискретного оптического нановолновода состоит из пульта управления, фемтосекундного лазера, системы фокусировки, 2х координатной и 3х координатной подвижек, прозрачной и рабочей подложек. Введение дополнительной 3х координатной подвижки с установкой подложек на разных подвижках позволило формировать наноразмерные шары из материала поверхности рабочей подложки вне зоны ее локального разрушения, что значительно повысило качество формирования дискретного оптического нановолновода.

Оптические волноводы служат для пространственно ограниченного и направленного распространения света. В настоящее время в качестве оптических волноводов широко используются кварцевые и пластиковые оптические волокна. Они обычно имеют круглое сечение и состоят из сердцевины и оболочки. Передача света по сердцевине таких оптических волокон обеспечивается за счет того, что показатель преломления сердцевины выше показателя преломления оболочки. Недостаток обычных оптических волокон заключается в том, что их минимальные поперечные размеры передаваемого оптического излучения превышают длину волны света, и это ограничивает их применение, например, в фотонных интегральных микросхемах. Локализовать оптическое излучение на размерах меньших длины волны возможно методами наноплазмоники, в которых используются металлические элементы нанометровых размеров. Например, металлические цилиндры наноразмерного диаметра могут использоваться в качестве непрерывных оптических нановолноводов. Недостатком непрерывных оптических нановолноводов является малая длина распространения излучения вдоль волновода. Этого недостатка лишены дискретные оптические нановолноводы, состоящие из последовательности близко расположенных наночастиц. Такой дискретный оптический нановолновод состоит из наночастиц определенного размера и формы, расположенных на подложке в виде цепочки на одинаковом расстоянии друг от друга (S.A. Maier, P.G. Kik, and Н.А. Atwater. Optical pulse propagation in metal nanoparticle chain waveguides // Physical Review. 2003. В 67. P. 205402-205412S; A. Maier, P.G. Kik, L.A. Sweatlock, and H.A. Atwater. Energy transport in metal nanoparticle plasmon waveguids // Materials Research Society. 2003. V. 777. T 7.1.1-T 7.1.12).

Известна установка, которая позволяет формировать дискретные оптические нановолноводы, основанная на перенесении материала с рабочей подложки на прозрачную подложку с помощью фемтосекундного лазерного излучения (А.В. Evlyukhin, S.M. Novikov, U. Zywietz, R.L. Eriksen, С. Reinhardt, S.I. Bozhevolnyi, and B.N. Chichkov. Demonstration of Magnetic Dipole Resonances of Dielectric Nanospheres in the Visible Region // Nano Letters. 2012, V. 12. P. 3749-3755), выбранная в качестве прототипа. Известное устройство состоит из пульта управления, соединенного с фемтосекундным лазером, оптически соединенного с системой фокусировки, 2х координатной подвижки с последовательно установленными на ней рабочей подложки, прокладки и прозрачной подложки, при этом 2х координатная подвижка соединена с пультом управления.

Известное устройство работает следующим образом. Сначала на 2х координатной подвижке устанавливаются последовательно рабочая подложка, прокладка и прозрачная подложка. Прокладка, изготовленная в виде пленки с отверстием позволяет установить прозрачную подложку на заданном расстоянии от рабочей подложки. Предварительно лазерное излучение фемтосекундного лазера фокусируется системой фокусировки на поверхность рабочей подложки. По команде с пульта управления фемтосекундный лазер включается, лазерный импульс проходит через систему фокусировки, прозрачную подложку, отверстие в прокладке и фокусируется на поверхности рабочей подложки. Энергия импульса оказывается достаточной для того, чтобы расплавить небольшой участок верхнего слоя рабочей подложки, часть которого в виде капли расплавленного материала из-за возникающего давления переносится вверх и попадает через отверстие в прокладке на поверхность прозрачной подложки. В процессе своего остывания эта капля расплавленного материала на поверхности прозрачной подложки принимает форму шара. По команде с пульта управления 2х координатная подвижка смещается вдоль выбранной траектории, например прямой, на один шаг, после чего включается фемтосекундный лазер и процесс повторяется. В результате выполнения серии шагов на прозрачной подложке формируется дискретный оптический нановолновод, состоящий из одинаковых наноразмерных шаров, расположенных в виде цепочки эквидистантно вдоль выбранной траектории.

Основной недостаток известного устройства заключается в низком качестве формируемого дискретного оптического нановолновода. Низкое качество нановолновода возникает из-за того, что хорошего качества наноразмерные шары удается получить только при шаге, превышающем 1 мкм. Это происходит вследствие того, что в области воздействия фемтосекундного лазерного импульса на поверхности рабочей подложки формируется зона локального разрушения материала с поперечным размером порядка 1 мкм (F. Korte, S. Adams, A. Egbert, С. Fallnich, A. Ostendorf. Sub-diffraction limited structuring of solid targets with femtosecond laser pulses // Optics Express. 2000. V. 7, N. 2. P. 41-49). Специалистам хорошо известно, что для получения дискретного оптического нановолновода с высоким качеством наноразмерные шары должны иметь размеры 50-200 нм и располагаться с шагом 50-200 нм (S. Zou, N. Janel, G.C. Schatz. Silver nanoparticle array structures that produce remarkably narrow plasmon lineshapes // Jour. Chem. Phys. 2004. V. 120, . 23. P. 10871-10875). При формировании наноразмерных шаров с расстоянием между ними меньшими 1 мкм качество наноразмерных шаров резко ухудшается, поскольку в этом случае каждый последующий лазерный импульс фокусируется в области зоны локального разрушения материала поверхности рабочей подложки, вызванного предыдущим лазерным импульсом.

Задача полезной модели заключается в повышении качества формирования дискретного оптического нановолновода.

Поставленная задача решается формирователем дискретного оптического нановолновода, который состоит из пульта управления, соединенного с фемтосекундным лазером, оптически соединенным с системой фокусировки, 3х координатной подвижки с установленной на ней прозрачной подложкой, 2х координатной подвижки с установленной на ней рабочей подложкой, при этом 3х координатная подвижка и 2х координатная подвижка соединены с пультом управления.

На фиг. 1 представлена блок-схема формирователя дискретного оптического нановолновода.

Формирователь дискретного оптического нановолновода состоит из пульта управления (1), фемтосекундного лазера (2), системы фокусировки (3), 3х координатной подвижки (4), прозрачной подложки (5), 2х координатной подвижки (6), рабочей подложки (7).

Достижение заявленного технического результата, а именно повышение качества формирования дискретного оптического нановолновода, происходит за счет того, что при формировании наноразмерных шаров с расстоянием между ними меньшими 1 мкм качество наноразмерных шаров остается высоким, поскольку формирование каждого последующего наноразмерного шара происходит из материала поверхности рабочей подложки вне зоны ее локального разрушения. Технически это достигается тем, что прозрачная подложка установлена на дополнительной 3х координатной подвижке, соединенной с пультом управления.

Формирователь дискретного оптического нановолновода работает следующим образом. Сначала на 2х координатной подвижке (6) устанавливаются рабочая подложка (7), затем на 3х координатной подвижке (4) устанавливаются прозрачная подложка (5). С помощью 3х координатной подвижки (4) устанавливается необходимое расстояние между прозрачной подложкой (5) и рабочей подложкой (7). Затем лазерное излучение фемтосекундного лазера (2) фокусируется системой фокусировки (3) на поверхности рабочей подложки (7). По команде с пульта управления (1) фемтосекундный лазер (2) включается, лазерный импульс проходит через систему фокусировки (3), прозрачную подложку (5) и фокусируется на поверхности рабочей подложки (7). Энергия импульса оказывается достаточной для того, чтобы расплавить небольшой участок верхнего слоя рабочей подложки (7), часть которого в виде капли расплавленного материала из-за возникающего импульса давления переносится вверх и попадает на поверхность прозрачной подложки (5). В процессе своего остывания эта капля расплавленного материала на поверхности прозрачной подложки (5) принимает форму шара. По команде с пульта управления (1) 3х координатная подвижка (4) смещается вдоль выбранной траектории, например прямой, на один шаг, а 2х координатная подвижка (6) смещается на такое расстояние, чтобы последующий лазерный импульс попал на поверхность рабочей подложки (7) вне зоны ее локального разрушения. В результате выполнения серии шагов на прозрачной подложке (5) формируется дискретный оптический нановолновод, состоящий из одинаковых наноразмерных шаров, расположенных эквидистантно вдоль выбранного направления.

В отличие от прототипа, в формирователе дискретного оптического нановолновода прозрачная подложка и рабочая подложка не скреплены неподвижно через прокладку, а установлены на разных подвижках. Это позволяет повысить качество формирования дискретного оптического нановолновода за счет того, что формирование наноразмерных шаров происходит из материала поверхности рабочей подложки каждый раз вне зоны ее локального разрушения, что достигается смещением 2х координатной подвижки на расстояние, превышающее размер зоны разрушения.

Конкретное техническое оформление заявляемого устройства, а именно, пульт управления, фемтосекундный лазер, система фокусировки, 3х координатная подвижка, 2х координатная подвижка являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи, требуемой точности и материала рабочей подложки. Прозрачная подложка может быть выполнена из кварца. Рабочая подложка может быть изготовлена из кварца с напыленной на верхнюю поверхность пленкой золота толщиной 10-100 нм. В качестве фемтосекундного лазера можно использовать фемтосекундный лазер с длительностью импульса 10-50 фс, энергией в импульсе 1-10 мДж и длиной волны в видимой или ближней инфракрасной частях спектра. Пульт управления может быть выполнен на базе персонального компьютера.

Нами был собран лабораторный вариант формирователя дискретного оптического нановолновода. Пульт управления был выполнен на базе персонального компьютера. В качестве фемтосекундного лазера использовался лазер компании Avesta с длительностью импульса 10-50 фс, энергией в импульсе 1-10 мДж и длиной волны 800 нм Система фокусировки была выполнена на базе объектива компании Nikon (Япония). В качестве 3х координатной и 2х координатной подвижек использовалась подвижки компании A vesta (Россия). Прозрачная подложка и рабочая подложка были выполнены из кварца, при этом на верхнюю поверхность рабочей подложки была напылена пленка золота толщиной 50 нм. С помощью созданной установки был изготовлен макет дискретного оптического нановолновода в виде отрезка прямой длиной 0.1 мм, состоящий из наношаров золота размером 70 нм, отстоящих друг от друга на расстояние 55 нм. Исследование полученного дискретного оптического нановолновода с помощью электронного сканирующего микроскопа показало, что он отличается от варианта, полученного с помощью прототипа, существенно лучшим качеством наношаров и более узким распределением полученных наношаров по размерам. Исходя из предложенного технического решения очевидно, что предложенный формирователь дискретного оптического нановолновода будет производить более качественные по сравнению с прототипом дискретные оптические нановолноводы и при всех других возможных параметрах лазерного излучения и других характеристиках прозрачной и рабочей подложек.

Таким образом, созданный формирователя дискретного оптического нановолновода позволил достигнуть заявленный технический результат, а именно повысить качество формирования дискретного оптического нановолновода.

Формирователь дискретного оптического нановолновода, состоящий из пульта управления, соединенного с фемтосекундным лазером, оптически соединенным с системой фокусировки, 2-координатной подвижки, соединенной с пультом управления, с установленной на ней рабочей подложкой, прозрачной подложки, отличающийся тем, что дополнительно содержит соединенную с пультом управления З-координатную подвижку, на которую устанавливается прозрачная подложка.