Direct femtosecond laser writing of 3D photonic structures in rare-earth doped lithium niobate

A lo largo de esta tesis se habla a menudo de pulsos laser con una duracion de en torno a 100 fs, que son enfocados en el interior de cristales a tamanos extremadamente pequenos de entorno a 1 ? m de diametro. Esta combinacion de una duracion del pulso extremadamente corta y su alto confinamiento espacial es el origen de los efectos fisicos y aplicaciones que se examinan en esta tesis. Para hacerse una idea de cuanto 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 anos [1]). Con respecto al tamano del foco donde toda la energia del pulso laser es confinada, 1 ? m corresponde aproximadamente a la octava parte del tamano de una celula sanguinea (8 ? m), o la septima parte de un cromosoma (7 ? m) [2]. Por tanto, el lector no debera sorprenderse si observa que el metodo empleado para confinar los pulsos laser en la escala micrometrica sera el de microscopia optica, donde la mayor parte de los objetivos de enfoque son disenados para las ciencias biologicas [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 interaccion con el medio es fundamentalmente no lineal. Esto significa que el tamano del area modificada no sera proporcional al tamano del foco laser, sino que sera menor en un determinado factor. Como resultado de esta no linealidad veremos que, por ejemplo, es posible realizar agujeros de tan solo 90 nm de diametro en la superficie de un cristal. Estos tamanos son equivalentes a los de virus tales como la gripe o VIH [2], como se muestra en la Figura 1. Tamanos por debajo de los 200 nm estan ya por debajo del limite de resolucion optica, lo cual implica que, debido a la alta no linealidad del proceso de inscripcion esta tecnica permite alcanzar una resolucion que hasta ahora pertenecia al ambito de las tecnicas de bombardeo mediante haces de iones. Aun asi, y como veremos, las tecnicas actuales de bombardeo ionico permiten alcanzar motivos superficiales de pocos nanometros. Por que usar un laser entonces? La ventaja de usar un haz laser ultracorto en lugar de iones sera que, como veremos, este permite procesar el material tanto en su superficie como su interior, algo que hasta ahora era completamente imposible. El proposito de este trabajo de tesis es aplicar la tecnica de escritura mediante pulsos laser de femtosegundos para la obtencion de estructuras fotonicas en materiales laser transparentes, tales como cristales de niobato de litio dopados con iones de tierras raras. Una estructura fotonica es un dispositivo integrado que permite controlar y manipular la luz gracias al confinamiento dimensional producido y las propiedades opticas del material. El objetivo de la optica integrada es combinar diferentes elementos opticos tales como guias de onda o cristales fotonicos, en un solo substrato. Estos substratos podran ser disenados para ser usados en una muy amplia variedad de aplicaciones, en una manera analoga a como los circuitos electricos conforman la electronica integrada. Las aplicaciones inmediatas de la tecnologia fotonica cubren el area de las telecomunicaciones opticas, la instrumentacion, o sistemas de deteccion ultrasensibles y ultra-rapidos para medicina o biotecnologia. Uno de los materiales paradigmaticos que ha permitido desarrollar la tecnologia de optica integrada es el cristal no lineal ferroelectrico de niobato de litio (LiNbO3) [3], debido a que ofrece una increible versatilidad funcional que ha permitido el desarrollo de nuevos dispositivos fotonicos tales como guias de onda, filtros de frecuencias electro-opticos, controladores de la polarizacion, laseres, y tambien recientemente cristales fotonicos. Estos dispositivos aprovechan las propiedades funcionales del material, tales como sus propiedades electro-opticas, acusto-opticas y no lineales, de manera que los dispositivos pueden ofrecer funciones relevantes tales como la conversion de frecuencias no lineal, el procesado ultra-rapido optico de senales, y la generacion de single-photons. Nuestro objetivo es por tanto investigar la posibilidad de usar la tecnica de escritura mediante pulsos laser 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 tecnica laser mediante pulsos ultracortos es la unica que se ha demostrado que posibilita la escritura tridimensional en el interior de un material sin danar en ningun grado su superficie. Esta tesis esta basicamente dividida en dos partes. En la primera parte se discuten los fundamentos fisicos del micro-estructurado mediante pulses laser ultracortos en cristales de LiNbO3 (Chapters 2 y 3). La segunda parte presenta los resultados de investigacion en torno a las aplicaciones, tales como elementos de difraccion integrados en el medio laser, guias de onda, y cristales fotonicos tridimensionales (Chapters 4, 5 y 6). El Capitulo 2 (Chapter 2) es una introduccion al niobato de litio y su estructura. Algunas de sus propiedades fisicas y opticas que seran de interes en el resto de capitulos son analizadas. El Capitulo 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 basicos y parametros relevantes de la tecnica, y se presentan algunos ejemplos experimentales realizados en niobato de litio. Estos experimentos constituyen el conocimiento previo mediante el cual el resto de trabajos seran realizados. Se demuestra la ablacion de estructuras micrometricas y sub-micrometricas superficiales, y tambien se investigan las principales aberraciones opticas que pueden tener lugar al inscribir voxels sub-micrometricos en el interior del cristal. El Capitulo 4 (Chapter 4) presenta los resultados concernientes a la accion laser y propagacion no-colineal de la radiaccion fundamental generada en cristales laser de Nd 3+ :MgO:LiNbO3, mediante la creacion de redes de difraccion integradas de una y dos dimensiones. Se presenta la dependencia de la eficiencia de difraccion asi como las propiedades laser para cada tipo de red superficial. El Capitulo 5 (Chapter 5) presenta los resultados del analisis espectroscopico de micro-Raman y micro-Luminiscencia de los cambios producidos en la red cristalina del niobato de litio en dos tipos de guia de onda fabricados mediante pulsos de femtosegundos: Guias fabricadas en el regimen no- termico mediante bajas frecuencias de pulso,y guia fabricadas en el regimen termico mediante altas repeticiones de pulsos. Los cambios de indice de refraccion son estimados en primera aproximacion mediante los perfiles de micro-Raman y micro-Luminiscencia, indicando que el origen principal del guiado es debido a un cambio de indice de tipo piezo-optico, probablemente producido por la generacion de campos de stress inducidos en el foco laser. El Capitulo 6 (Chapter 6) presenta los resultados de la escritura tridimensional de cristales fotonicos en cristales niobato de litio dopado con tierras raras. Se presentan los espectros de transmitancia en el infrarojo cercano de estructuras con diferentes parametros de red, asi como sus efectos en la luminiscencia del material. El Capitulo 7 (Chapter 7) resume el trabajo presentado en esta tesis. El Apendice final (Appendix) es un texto introductorio sobre cristales fotonicos, desde el concepto hasta los principales aspectos de su fabricacion e historia. Se presenta asi mismo una lista actualizada de las principales publicaciones en el campo de cristales fotonicos tridimensionales. Y se discuten las principales tecnicas disponibles para su fabricacion en dielectricos, las diferentes tipos de redes y sus diferentes propiedades dispersivas, asi como sus principales aplicaciones.