Optical Setup for Laser Microfabrication: development of photonic devices

Abstract

A microfabricação a laser é uma técnica muito útil que tem sido amplamente empregada em uma vasta gama de aplicações baseadas em fenômenos ópticos lineares e não lineares. Neste contexto, o objetivo desta dissertação é desenvolver um sistema de micromaquinação óptica para fazer dispositivos fotônicos em uma escala reduzida. Para isso, foi empregado neste sistema um laser pulsado Q-switch Nd:YAG com duração temporal de 1,2 ns (nanossegundo) operando a uma baixa taxa de repetição (variando de 10 a 2000 Hz) sintonizado a 532 nm (segunda geração harmônica). Estas características foram montadas com um microscópio montado em um estágio motorizado 3-D, no qual seu movimento é controlado por um software caseiro que controla os motores passo-a-passo sobre o eixo XY. Além disso, o eixo z controla o foco sobre a amostra onde o experimento irá ocorrer. Inicialmente, filmes finos de ouro e quitosano foram usados para caracterizar a configuração ótica, que erros, demissões, desajustes e desalinhamentos foram mapeados e resolvidos. Após algumas melhorias na configuração ótica juntamente com o software de automação/controle, realizamos um estudo sistemático de micromaquinação de filmes de polímeros dopados com azo-chromophores e perovskite quantum dots thin films. Para entender melhor a configuração do laser, investigamos a influência da energia laser, a velocidade de translação e a abertura numérica da objetiva do microscópio na largura média da microestrutura, que de fato, forneceu dados importantes para suportar o bom uso de tal configuração óptica. Nossos resultados mostraram que nossa configuração de micromaquinação é capaz de microestruturar materiais em dois regimes diferentes, ou seja, ablação e modificação da superfície, tanto para filmes de polímeros contendo compostos de azo-componentes como para filmes de ponto quântico. Estes dois regimes de micromaquinação foram possíveis através do controle da energia incidente do percurso do laser, da velocidade em que a amostra se move, e também através da mudança das objetivas do microscópio. Os objetivos, entretanto, têm muita influência nos resultados porque sua abertura numérica faz com que a luz seja coletada mais larga ou mais estreita. Tais mudanças permitem que a mesma energia laser cause estruturas diferentes nas superfícies somente alterando as objetivas. Para resumir estas três características, atingimos larguras de linha tão estreitas quanto 0,8 µm. Além disso, é possível microfabricar qualquer forma de microestrutura em nossa configuração experimental devido ao desenvolvimento do programa dedicado a este trabalho atual.