Direct femtosecond laser writing of 3d photonic structures in rare-earth doped lithium niobate.(escritura directa de estructuras fotónicas 3d en niobato de litio dopado con iones de tierras raras mediante pulsos láser de femtosegundos)

Resumen

A lo largo de esta tesis se habla a menudo de pulsos láser con una duración de en torno a 100 fs, que son enfocados en el interior de cristales a tamaños extremadamente pequeños de entorno a 1 ¿m de diámetro. Esta combinación de una duración del pulso extremadamente corta y su alto confinamiento espacial es el origen de los efectos físicos y aplicaciones que se examinan en esta tesis. Para hacerse una idea de cuánto son 100 fs, basta con saber que corresponde con a 10-13 segundos (i.e. 0.0000000000001 segundos). Lo cual significa que frente a una segundo, este tiempo es equivalente a aproximadamente 12 horas frente a la edad del Universo (13.7x109 años [1]). Con respecto al tamaño del foco donde toda la energía del pulso láser es confinada, 1 ¿m corresponde aproximadamente a la octava parte del tamaño de una célula sanguínea (8 ¿m), o la séptima parte de un cromosoma (7 ¿m) [2]. Por tanto, el lector no deberá sorprenderse si observa que el método empleado para confinar los pulsos láser en la escala micrométrica será el de microscopía óptica, donde la mayor parte de los objetivos de enfoque son diseñados para las ciencias biológicas [3]. Sin embargo, y como veremos a lo largo de esta tesis, lo singular de usar pulsos extremadamente cortos en el tiempo para micro-esculpir materiales reside en el hecho de que el mecanismo de interacción con el medio es fundamentalmente no lineal. Esto significa que el tamaño del área modificada no será proporcional al tamaño del foco laser, sino que será menor en un determinado factor. Como resultado de esta no linealidad veremos que, por ejemplo, es posible realizar agujeros de tan sólo 90 nm de diámetro en la superficie de un cristal. Estos tamaños son equivalentes a los de virus tales como la gripe o VIH [2], como se muestra en la Figura 1. Tamaños por debajo de los 200 nm están ya por debajo del límite de resolución óptica, lo cual implica que, debido a la alta no linealidad del proceso de inscripción esta técnica permite alcanzar una resolución que hasta ahora pertenecía al ámbito de las técnicas de bombardeo mediante haces de iones. Aun así, y como veremos, las técnicas actuales de bombardeo iónico permiten alcanzar motivos superficiales de pocos nanómetros. ¿Por qué usar un láser entonces? La ventaja de usar un haz láser ultracorto en lugar de iones será que, como veremos, éste permite procesar el material tanto en su superficie como su interior, algo que hasta ahora era completamente imposible. El propósito de este trabajo de tesis es aplicar la técnica de escritura mediante pulsos láser de femtosegundos para la obtención de estructuras fotónicas en materiales láser transparentes, tales como cristales de niobato de litio dopados con iones de tierras raras. Una estructura fotónica es un dispositivo integrado que permite controlar y manipular la luz gracias al confinamiento dimensional producido y las propiedades ópticas del material. El objetivo de la óptica integrada es combinar diferentes elementos ópticos tales como guías de onda o cristales fotónicos, en un solo substrato. Estos substratos podrán ser diseñados para ser usados en una muy amplia variedad de aplicaciones, en una manera análoga a como los circuitos eléctricos conforman la electrónica integrada. Las aplicaciones inmediatas de la tecnología fotónica cubren el área de las telecomunicaciones ópticas, la instrumentación, o sistemas de detección ultrasensibles y ultra-rápidos para medicina o biotecnología. Uno de los materiales paradigmáticos que ha permitido desarrollar la tecnología de óptica integrada es el cristal no lineal ferroeléctrico de niobato de litio (LiNbO3) [3], debido a que ofrece una increíble versatilidad funcional que ha permitido el desarrollo de nuevos dispositivos fotónicos tales como guías de onda, filtros de frecuencias electro-ópticos, controladores de la polarización, láseres, y también recientemente cristales fotónicos. Estos dispositivos aprovechan las propiedades funcionales del material, tales como sus propiedades electro-ópticas, acusto-ópticas y no lineales, de manera que los dispositivos pueden ofrecer funciones relevantes tales como la conversión de frecuencias no lineal, el procesado ultra-rápido óptico de señales, y la generación de single-photons. Nuestro objetivo es por tanto investigar la posibilidad de usar la técnica de escritura mediante pulsos láser de femtosegundos para desarrollar dispositivos completamente nuevos que aprovechen las tres dimensiones dentro del material, para de esta manera aumentar la compacidad y complejidad de los dispositivos integrados. Es necesario mencionar que la técnica láser mediante pulsos ultracortos es la única que se ha demostrado que posibilita la escritura tridimensional en el interior de un material sin dañar en ningún grado su superficie. Esta tesis está básicamente dividida en dos partes. En la primera parte se discuten los fundamentos físicos del micro-estructurado mediante pulses láser ultracortos en cristales de LiNbO3 (Chapters 2 y 3). La segunda parte presenta los resultados de investigación en torno a las aplicaciones, tales como elementos de difracción integrados en el medio láser, guías de onda, y cristales fotónicos tridimensionales (Chapters 4, 5 y 6). El Capítulo 2 (Chapter 2) es una introducción al niobato de litio y su estructura. Algunas de sus propiedades físicas y ópticas que serán de interés en el resto de capítulos son analizadas. El Capítulo 3 (Chapter 3) es un breve resumen en torno a los fundamentos de la escritura mediante pulsos ultracortos en niobato de litio. Se describen los conceptos básicos y parámetros relevantes de la técnica, y se presentan algunos ejemplos experimentales realizados en niobato de litio. Estos experimentos constituyen el conocimiento previo mediante el cual el resto de trabajos serán realizados. Se demuestra la ablación de estructuras micrométricas y sub-micrométricas superficiales, y también se investigan las principales aberraciones ópticas que pueden tener lugar al inscribir voxels sub-micrométricos en el interior del cristal. El Capítulo 4 (Chapter 4) presenta los resultados concernientes a la acción laser y propagación no-colineal de la radiacción fundamental generada en cristales láser de Nd 3+ :MgO:LiNbO3, mediante la creación de redes de difracción integradas de una y dos dimensiones. Se presenta la dependencia de la eficiencia de difracción así como las propiedades laser para cada tipo de red superficial. El Capítulo 5 (Chapter 5) presenta los resultados del análisis espectroscópico de micro-Raman y micro-Luminiscencia de los cambios producidos en la red cristalina del niobato de litio en dos tipos de guía de onda fabricados mediante pulsos de femtosegundos: Guías fabricadas en el régimen no- térmico mediante bajas frecuencias de pulso,y guía fabricadas en el régimen térmico mediante altas repeticiones de pulsos. Los cambios de índice de refracción son estimados en primera aproximación mediante los perfiles de micro-Raman y micro-Luminiscencia, indicando que el origen principal del guiado es debido a un cambio de índice de tipo piezo-óptico, probablemente producido por la generación de campos de stress inducidos en el foco láser. El Capítulo 6 (Chapter 6) presenta los resultados de la escritura tridimensional de cristales fotónicos en cristales niobato de litio dopado con tierras raras. Se presentan los espectros de transmitancia en el infrarojo cercano de estructuras con diferentes parámetros de red, así como sus efectos en la luminiscencia del material. El Capítulo 7 (Chapter 7) resume el trabajo presentado en esta tesis. El Apéndice final (Appendix) es un texto introductorio sobre cristales fotónicos, desde el concepto hasta los principales aspectos de su fabricación e historia. Se presenta así mismo una lista actualizada de las principales publicaciones en el campo de cristales fotónicos tridimensionales. Y se discuten las principales técnicas disponibles para su fabricación en dielectricos, las diferentes tipos de redes y sus diferentes propiedades dispersivas, así como sus principales aplicaciones.