Los láseres de pulsos ultracortos han demostrado ser herramientas únicas y tremendamente versátiles para el procesado y modificación de materiales [1]. En los últimos años esta tecnología de micro-fabricación se ha aplicado en innumerables ámbitos científicos y tecnológicos, obteniéndose resultados que eran impensables con otras técnicas convencionales: procesado 3D de materiales ópticos, micro/nano-cirugía, nano-texturizado superficial y funcionalización de materiales, fabricación de micro-dispositivos. Resulta destacable la reciente incorporación de esta tecnología al ámbito industrial en algunos procesos avanzados de fabricación [2].
La técnica de escritura directa (o foto-inscripción) con láseres de pulsos ultracortos aplicada a este tipo de dispositivos es un proceso de un solo paso que permite la fabricación de cualquier geometría 3D y es universal (sirve para cualquier dieléctrico transparente). Estas propiedades permiten superar las limitaciones de las técnicas convencionales de fabricación (Silica-on-Silicon [3], ion-exchange [4], o sol-gel [5]) pese a ser estas últimas muy eficientes y presentar un elevado grado de madurez tecnológica.
La duración temporal extremadamente corta de los pulsos láser (típicamente 100 femtosegundos, 1 fs=10-15 s) y la elevada intensidad pico alcanzable una vez focalizados (por encima de 1013 W/cm2) permite la modificación local y controlada de las propiedades de los materiales con mínima afectación al material circundante. En el caso particular de los dieléctricos transparentes la escritura directa con láser permite, además de poder interaccionar con la superficie del material, hacerlo a cualquier profundidad del mismo [6] ya que el haz puede ser enfocado en su interior. Si la irradiancia que se alcanza en la zona focal es suficiente, los procesos de absorción no lineal e ionización de campo fuerte dan lugar un plasma de electrones libres en la zona de focalización [7]. El efecto o huella que deja este plasma una vez relajado depende tanto de las condiciones de irradiación como del tipo de material. En general, se produce una modificación del índice de refracción, bien en la zona directamente irradiada por el láser, bien en las zonas próximas, en la escala de unas pocas micras. Este fenómeno hace posible el micro-estructurado y la micro-fabricación 3D de vidrios y cristales de interés para aplicaciones fotónicas [8]. Desde que se demostró esta posibilidad al final de la década de los noventa [9], la técnica de inscripción directa por pulsos ultracortos se ha utilizado para la fabricación de estructuras fotónicas (guías de onda, elementos difractivos…), consolidándose como una herramienta realmente versátil y singular [10].
En particular, nuestro trabajo se centra en la integración de dispositivos fotónicos 3D en cristales dieléctricos transparentes [11], de forma que se aprovecha el confinamiento creado por la guía de onda y las propiedades ópticas específicas del cristal. Nuestros temas prioritarios son los siguientes:
- Micro-láseres en el infrarrojo medio (2 micras) para biosensado y sensado atmosférico (colaboración con: Universitat Rovira y Virgili) [12]
- Guías de onda activas integradas en dispositivos Lab-on-a-chip (colaboración con Shandong University) [13]
- Circuitos ópticos complejos e interferómetros para aplicaciones de astrofotónica (colaboración Universite Grenoble Alpes)
Biosensor desarrollado en base a guías de onda inscritas con laser [13]
Referencias
[1] K. Sugioka and Y. Cheng, Light: Science & Applications 3, e149 (2014).
[2] http://www.industrial-lasers.com/index.html
[3] M. Kawachi, Optical and Quantum Electronics 22, 391 (1990).
[4] A. Tervonen, BR. West, and S. Honkanen, Opt. Engeneering 50, 071107 (2011).
[5] G. Righini and S. Pelli, Journal of Sol-Gel Science and Technology 8 991 (1998).
[6] R. Gattas and E. Mazur, Nature Photon. 2, 219 (2008).
[7] M. Lenzner, et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[8] R. Osellame, G. Cerullo, R. Ramponi Eds., (Springer, Berlín, 2012).
[9] K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, and K. Hirao, Opt. Letters 21, 1729 (1996).
[10] D. Choudhury, J. R. Macdonald and A. K. Kar, Laser and Phot. Rev. 8, 827 (2014).
[11] F. Chen, J.R. Vázquez de Aldana, Laser and Phot. Rev. 8, 251 (2014)
[12] E. Kifle et al., Photonics Research 6, 971 (2018)
[13] G. Li et al., Photonics Research 5,728 (2017)
