1

Metode optice de nanostructurare Metode optice de nanostructurare

Seminar Metamateriale, 4 Decembrie - Academia Română

INFLPR - Bucuresti, Sectia LaseriINFLPR - Bucuresti, Sectia LaseriAtomistilor 409, 077125 MagureleAtomistilor 409, 077125 Magurele

E-mail: marian.zamfirescu@inflpr.roE-mail: marian.zamfirescu@inflpr.ro

Dr. Marian ZAMFIRESCUDr. Marian ZAMFIRESCU

2

Sumarul prezentariiSumarul 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 laserul femtosecunde, rezultate preliminare.

3

Limita de difractieLimita de difractie

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

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-UV

: 1µm 0.4µm 0.2µm0.3µm

NAn sin

d

4

Focalizare sub limita de difractieFocalizare sub limita de difractie

- Fascicule non-difractive :

]exp[)(]exp[),,( inrkJzikzrE rnz

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

Laser

f z

LentilaMasca

Microfascicul Bessel

Intensitate

J0 : dmin≈ 0.75 zmaxRr

0)( 22 Ek

D

Apertura inelara: R=2.5mm, r=10µmf=300mm, D=7mm

=0.633µm

dmin = 0.475 µmzmax = 85cm

5

Lumina polarizata radialLumina polarizata radial

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)).

Polarizareradiala

Obtinerea luminii polarizate radial:

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

Mediu activ Con la unghi BrewsterOglinda 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 /4 cu axa optica dispusa astfel incat directia de oscilatie a campului electromagnetic sa fie orientata radial.

Dimensiunea spotului este mai redusa in cazul polarizarii radiale: - polarizare liniara: d = 0.57 - polarizare circulara: d = 0.53 - polarizare radiala: d = 0.45

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

Obtinerea luminii polarizate radialObtinerea luminii polarizate radial

7

R-TEM21*TEM01

Obtinerea luminii polarizate radialObtinerea luminii polarizate radial

Polarizarea radiala se poate obtine interferometric (interferometru Sagnac).

TEM01*

8

Focalizarea luminii pe varfuri metaliceFocalizarea luminii pe varfuri metalice

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 pe suprafata 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

Lentila perfecta (lentila Veselago)Lentila perfecta (lentila Veselago)

10

Absorbtia neliniara de 2 fotoni in medii transparanteAbsorbtia neliniara de 2 fotoni in medii transparante

laser fsec focalizat

direcţia de deplasareStructura generata

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

Pragul de absorbtie bifotonica

11

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

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

Nanostructuri induse cu laserul femtosecundeNanostructuri induse cu laserul femtosecunde

proba

Putere de prag

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.

12

Proiectarea sistemului pentru nanostructurareProiectarea sistemului pentru nanostructurarecu laserul femtosecundecu laserul femtosecunde

LASER775nm200 fsec2KHz

Translatii XYZ

OBIECTIV DEMICROSCOPMarire si apertura numerica 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

/2Polarizor

Glan

13

Sistemul de microprelucrare cu laserulSistemul de microprelucrare cu laserul

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 rep = 2KHzViteza de scriere: v = 2mm/s (1puls / µm)

Primele teste de microprelucrare Primele teste de microprelucrare cu laserul femtosecundecu laserul femtosecunde

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

15

0,5µJ 5µJ

Dependenta calitatii structurilor de conditiile de scriereDependenta calitatii structurilor de conditiile de scriere

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

ConcluziiConcluzii

• 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)

17