2D photonic crystals: Research into the fabrication of 2D photonic structures by means of femtosecond laser nanowriting on laser crystals

Abstract

The present work is an experimental study on the nanostructuring of optical crystals for photonic band gap applications. First, it is remarked the importance of these structures in the current scientific and technological context. Secondly, a brief introduction to the theoretical basis of the study of photonic crystals is given. It is also discussed some of the obstacles present in their fabrication and how laser technologies have proven to be a crucial tool in the process. Then, the experimental steps that will be followed throughout the work are explained in detail. The sample to be used is Yttrium Aluminum Garnet (YAG) crystal. By means of laser nanolithography, single scan photomodified traces within the crystal are made. This traces are exposed to the surface by polishing the sample and finally, it is submerged in certain dissolution. Given that the photomodified traces are dissolved faster, after several hours they become air nanopores. Dependence of their etching length and shape on power and depth is discussed in two preliminary studies, each one with slightly different configuration of the beam expander element in the optical set-up. No circular pores are obtained for any of them but their ellipticity turns out to be smaller under the conditions of the second experiment. Finally, with the second expander configuration, first tests of hexagonal lattices are performed.

El presente trabajo es un estudio experimental sobre la nanoestructuraci´on de cristales ´opticos para aplicaciones de band-gap fot´onico. En primer lugar, se remarca la importancia de estas estructuras en el contexto cient´ıfico y tecnol´ogico actual. En segundo lugar, se hace una breve introducci´on a las bases te´oricas del estudio de los cristales fot´onicos. Tambi´en se discuten algunos de los obst´aculos presentes en su fabricaci´on y c´omo las tecnolog´ıas l´aser han demostrado ser una herramienta crucial en el proceso. A continuaci´on, se explican en detalle los pasos experimentales que se seguir´an a lo largo del trabajo. La muestra que se va a utilizar es un cristal de Yttrium Aluminum Garnet (YAG). Mediante nanolitograf´ıa l´aser se realizan trazas fotomodificadas de barrido ´unico dentro del cristal. Estas trazas se exponen a la superficie puliendo la muestra y, finalmente, se sumerge en cierta disoluci´on. Dado que las trazas fotomodificadas se disuelven m´as r´apidamente, al cabo de varias horas se convierten en nanoporos de aire. La dependencia de su longitud y forma con respecto a la potencia y la profundidad se analiza en dos estudios preliminares, cada uno con una configuraci´on ligeramente diferente del expansor del haz en el montaje ´optico. En ninguno de ellos se obtienen poros circulares, pero su elipticidad resulta ser menor en las condiciones del segundo experimento. Finalmente, con la segunda configuraci´on del expansor, se realizan los primeros ensayos de redes hexagonales.