1

MetodeMetode opticeoptice de de nanostructurarenanostructurare

Seminar Metamateriale, 4 Decembrie - Academia Română

INFLPR INFLPR -- Bucuresti, Bucuresti, SectiaSectia LaseriLaseriAtomistilorAtomistilor 409, 077125 409, 077125 MagureleMagurele

EE--mail: mail: marian.zamfirescumarian.zamfirescu@@inflpr.roinflpr.ro

Dr. Marian ZAMFIRESCUDr. Marian ZAMFIRESCU

2

Sumarul Sumarul prezentariiprezentarii

• 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

LimitaLimita de de difractiedifractie

Focalizarea fasciculelor laser cu profil Gaussian este limitata de conditia Abbe:

λα

λ≥=

sinnd

Dimensiunea structurilor generate de un fascicul laser gaussian poatefi 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)

NIR C-UVB-UVA-UVλ : 1µm 0.4µm 0.2µm0.3µm

NAn =αsin

d

4

FocalizareFocalizare sub sub limitalimita de de difractiedifractie

- Fascicule non-difractive :

]exp[)(]exp[),,( ϕϕ inrkJzikzrE rnz∝

J.Durnin, Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory, JOSA A 4, 651 (1987).

Laser

f z

LentilaMasca

MicrofasciculBessel

Intensitate

J0 : dmin≈ 0.75λzmax= 2π Rr/λ

0)( 22 =+∇ Ek

D

Apertura inelara: R=2.5mm, Δr=10µmf=300mm, D=7mmλ=0.633µm

dmin = 0.475 µmzmax = 85cm⇒

5

Lumina Lumina polarizatapolarizata radialradial

In cazul luminii polarizate radial dimensiunea spotului focal este mai mic decat in cazul luminiipolarizate liniar. (C.C. Sun, C.K.Liu Optics Letters 28, 99 (2003)).

Polarizareradiala

Obtinerea luminii polarizate radial:

(Y.Kozawa, S.Sato Opt. Lett., 30, 3063 (2005))

Mediu activ Con la unghiBrewsterOglinda Oglinda

de iesire

R-TEM01*

Polarizare z

Lentila

A) Intracavitate: O suprafata conica taiata la unghi Brewster plasata in cavitatea laser determina polarizarea radiala a luminii.

6

B) Extracavitate:

Convertor de polarizare (PC) - 4 cadrane continand 4 lame λ/4 cu axa opticadispusa astfel incat directia de oscilatie a campului electromagnetic sa fie orientataradial.

R. Dorn, et al. Sharper Focus for a RadiallyPolarized Light Beam, Phys. Rev. Lett. 91, 233901 (2003)

Dimensiunea spotului este mai redusa in cazul polarizarii radiale:

- polarizare liniara: d = 0.57 λ- polarizare circulara: d = 0.53 λ- polarizare radiala: d = 0.45 λ

ObtinereaObtinerea luminiiluminii polarizatepolarizate radialradial

7

R-TEM21*TEM01 TEM01*

ObtinereaObtinerea luminiiluminii polarizatepolarizate radialradial

Polarizarea radiala se poate obtineinterferometric (interferometru Sagnac).

8

FocalizareaFocalizarea luminiiluminii pepe varfurivarfuri metalicemetalice

S. M. Huang,et al. Pulsed-laser assisted nanopatterning of metallic layers combinedwith atomic force microscopy. J. Appl. Phys. 91, 3268 (2002).

Focalizarea laserului pe vartul metalic al unui microscop SPM produce pesuprafata probei structuri cu dimensiune laterala de pana la 10nm.

Proba: film 350 Å de Al pe substrat de Si.Laser: 7ns , 532nm, 10MW/cm2.

9

LentilaLentila perfecta (perfecta (lentilalentila VeselagoVeselago))

10

AbsorbtiaAbsorbtia neliniaraneliniara de 2 de 2 fotonifotoni in in mediimedii transparantetransparante

laser fsecfocalizat

direcţia de deplasareStructura generata

Materiale:- fotopolimeri (fotopolimerizare) → cristale fotonice, microcavitati optice, etc.- sticle dopate → ghiduri de unda, cuploare optice, etc.

Pragul de absorbtiebifotonica

11

Marius Dumitru, Diploma work - 2005, University of Kassel.

Cuarţ topitEnergia pe puls: E=140nJDurata pulsului : 50fsec

NanostructuriNanostructuri induseinduse cu cu laserullaserul femtosecundefemtosecunde

proba

Puterede prag

Durata pulsului fsec este mult mai scurta decat timpul de difuzie termica in materiale solide. Intreaga energie a pulsului laser este transferata materialuluiexpulzat din proba.

Structuri cu dimensine minima se obtin prin ajustare intensitatii radiatieiputin peste puterea de prag.

12

ProiectareaProiectarea sistemuluisistemului pentrupentru nanostructurarenanostructurarecu cu laserullaserul femtosecundefemtosecunde

LASER775nm200 fsec2KHz

Translatii XYZ

OBIECTIV DEMICROSCOPMarire si aperturanumerica mare

FILTRU SPATIALATENUARE VARIABILA

CCD

OGLINDA DICROICA

Translatii XYZ: Motoare pas cu pas

- gama de deplasari 4x4x4 mm- pasul de 50nm- precizie 500nm

Piezo + senzori- 20x20x20µm- precizie 5nm

λ/2Polarizor

Glan

13

SistemulSistemul de de microprelucraremicroprelucrare cu cu laserullaserul

Translatii XYZ

Obiectiv 100X

Oglinda dicroica

Camera Video

14

Energia pe puls E=50nJ (P = 100µW) - densitate de energie 3 J/cm2

Durata pulsului 200 fsecFrecventa de repetitie νrep = 2KHzViteza de scriere: v = 2mm/s (1puls / µm)

PrimelePrimele testeteste de de microprelucraremicroprelucrarecu cu laserullaserul femtosecundefemtosecunde

Proba : film de 100nm Au depus pe substrat de Si

15

0,5µJ 5µJ

DependentaDependenta calitatiicalitatii structurilorstructurilor de de conditiileconditiile de de scrierescriere

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

16

ConcluziiConcluzii

• Rezultatele preliminare demostreaza obtinerea de structuri cudimensiuni de pana la 1µm, induse cu laserul femtosecunde.

• Optimizarea sistemului de microprelucrare si studiul amanuntit almaterialelor folosite vor conduce la imbunatatirea calitatii structurilor.

• Metode de focalizare neconventionale pot fi folosite pentru a coborarezolutia de scriere a structurilor sub limita de difractie (sute de nm).

• Laserul femtosecunde reprezinta un instrument eficient in fabricareastructurilor cu dimensiuni submicronice (microsenzori, ghiduri de undaoptice, cristale fotonice, metamateriale - pentru NIR)