Espectroscopia de Terahertz en el dominio del tiempo (THz-TDS) para la caracterización de cristales fotónisco

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1 Espectroscopia de Terahertz en el dominio del tiempo (THz-TDS) para la caracterización de cristales fotónisco REPORTE DE ACTIVIDADES DEL SEGUNDO SEMESTRE Dahi Ludim Hernandez Roa Tutor: Naser Qureshi Proyecto: PAPIIT IN Junio El objetivo principal de este trabajo doctoral es diseñar y fabricar estructuras fotónicas que sirvan como filtros de radiación Terahertz, diseñados a medida con un control preciso de las frecuencias de transmisión. Se propone diseñar estos filtros con base al principio de un cristal fotónico. A continuación, se presentan algunos resultados experimentales de la banda prohibida a frecuencias THz que se generan en una estructura periódica 2D de SU-8 con el sistema THz- TDS en transmisión. El arreglo periódico en 2D está compuesta de cilindros de SU como se muestra en la figura 1 con radios de r = 35 µm, una constante de red de a = 100 µm y una altura de h = 280 µm. Por otro lado, las propiedades electro-ópticas como índice de refracción (n), del SU-8 y aire son de: n SU-8 = 1.6 y n aire = 1, mientras que su constante dieléctrica (ε), respectivamente son de ε SU-8 = 3.2 y ε aire = 1. Figura 1. Estructura periódica en 2D de SU-8. El Sistema de Espectroscopia de Terahertz en el dominio del tiempo que se utilizó para llevar a cabo estas pruebas (figura 2), ya está montado y funcionando en su totalidad, solo se realizaron pequeñas modificaciones con el objetivo de optimizar su funcionamiento. A continuación se describe muy brevemente su funcionamiento y las adaptaciones que se llevaron a cabo. La fuente de excitación es un láser de estado sólido Ti:zafiro comercial modelo MIRRA 900 de Coherent con una λ = 800 nm, con una duración por pulso de 200 fs, y una frecuencia de repetición de 76 MHz y una potencia promedio de salida de 500 mw.

2 Para no dañar las antenas emisora y receptora de THz, también comerciales de la marca MenloSystems (TERA8-1), es necesario colocar un atenuador metálico antes de dividir el haz, regulando de esta manera la potencia a unos mw; inmediatamente después del atenuador se coloca un divisor de haz 50:50, obteniendo de esta manera el haz de prueba y el haz de bombeo, el haz de bombeo pasa por un chopper modulando el tren de pulsos a una frecuencia de 500 Hz, mientras que el haz de prueba es dirigido a un sistema de espejos conocido como línea de retardo antes de incidir en el detector como se ilustra en la figura 2. Figura 2. Esquema experimental del THz-TDS La primera adaptación que se hizo fue colocar un telescopio para colimar y reducir el haz de los pulsos de fs que inciden tanto en la antena emisora como en la antena receptora. Dado que la distancia que recorre el haz de fs antes de incidir sobre el primer espejo del sistema TDS es de 2.60 m, después de que el haz de prueba y el haz de bombeo recorren sus respectivos caminos e inciden sobre las lentes asféricas que enfocan los pulsos de fs en el gap de las antenas, el diámetro del haz incidente es grande comparado con el diámetro de estas últimas lentes (d = 5 mm), debido a que el haz no está colimado. Esto provocaba que para enfocar los haces en el gap de las antenas con un tamaño de 5 µm no sea sencillo ni practico de lograr aun teniendo un sistema de apoyo que sirve para este fin como se muestra en la figura 2. Las características del telescopio agregado son las siguientes, está compuesto de dos lentes plano convexas, con una distancia focal de f =50 mm y f =25.4 mm respectivamente y se colocó a 50 cm de la salida del láser Ti:zafiro. Con esta adaptación el láser no solamente queda colimado además se consigue un diámetro del haz de 4 mm, esto provoca que haya menos

3 pérdida de energía ya que todo el haz queda perfectamente concentrado dentro de las lentes asféricas. La segunda modificación fue colocar una lente asférica de Silicio comercial de la marca BATOP (FL-12-f53) figura 3, con una distancia focal de f = 53 mm para concentrar los pulsos THz en la estructura periódica que va ser caracterizada (figura 1). Figura 3. Diagrama de una lente asférica de Si para THz. Con estas modificaciones se lograron señales de radiación THz de hasta mv, como se muestra en la figura 4 cifras que antes no se habían alcanzado. Figura 4: Señal de referencia THz. Antes de realizar las pruebas de caracterización en la estructura 2D, se realizaron algunas pruebas sobre una pelicula delgada de SU-8, como se describe a continuación. Sobre un porta objetos de 1cm 2 se deposito una pelicula delgada de SU de 270 µm de espesor y después de cumplir con todos los pasos de la fotolitografía:1) deposito, 2) cocido, 3) exposición, 4) cocido y 5) revelado, se obtuvo una película delgada de SU-8 con las mismas propiedades químicas que nuestras estructuras periódicas en 2D, esto con el objetivo de comparar los resultados experimentales de una estructura continua y una estructura periódica. Cabe aclarar que los resultados preliminares que se han obtenido hasta ahora se realizaron con la siguiente configuración del TDS-THz. En el caso de la antena emisora se colocó una lente asferica como ya se menciona arriba y en el caso de la antena detectora se colocó una lente colimadora (CSL-12), también comercial de la marca BATOP. Se podria decir que se tiene solo la mitad de un sistema TDS-THz convencional, donde normalmente se tienen dos lentes

4 hiperbolicas para dirigir los pulsos de THz y dos lentes de silicio para enfocar y garantizar que los pulsos de THz atraviesen por completo las muestras que se pretenden caracterizar con esta técnica. La razon de tener esta configuración es que para cuando se realizaron las pruebas experimentales solo se contaba con una montura acopladora para la lente de enfoque y la antena emisora, punto que es crucial e importante para obtener señales como la mostrada en la figura 4. Los resultados que se muestran en la grafica 1 son los obtenidos para la pelicula delgada de SU-8, como se observa en la grafica se obtuvo una señal de referencia de 16 mv (color rojo), y una ves colocada la muestra y realizando un barrido en el eje Z de la muestra se obtuvieron valores de 5 a 10 mv dependiendo de la posición (en este caso altura) de la muestra, notandose claramente un cambio solo de atenuación ya que el pulso no se deforma en nigun momento. En el caso de la grafica 2 obtenemos la trasformada de Fourier inversa de las señales obtenidas en la grafica 1, utilizando el lenguaje de programación comercial Matlab, como se observa en la grafica 2 se obtiene un espectro de frecuencia no mayor a 2.5 THz para este caso, por otro lado la razon de tener una ventana de 0 a 4 THz es debido a las antenas que estamos utilizando ya que su ancho de banda es menos a los 4 THz. Lo importante de esta grafica es que no hay niguna deformación en su espectro al comparar la señal de referencia (color rojo de la grafica 2), con las demas que corresponden a las diferentes alturas de la pelicula de SU-8. Grafica 1: tiempo (ps) vs voltaje (mv) Grafica 2: frecuencia (THz) vs Amplitud (a.u) En el caso de la gráfica 3, donde se muestra que hay una transmisión de la radiación THz por arriba del 75 %, queda demostrado que la película de SU-8 sin estructurar solo atenúa la señal de THz, sin que aparezcan las bandas prohibidas que se esperan obtener de una muestra periódica; cabe aclara que la radiación T no está atravesando el porta objetos (1 mm) y las 270 µm de espesor de la película de SU-8, es decir los THz están pasando por un costado de la película y no sobre la cara superior. Las dimensiones de la película delgada son de 5 mm 2, lo cual quiere decir que la señal recibida recorre 5 mm trasmitiendo como ya se mencionó una señal del 75 %. Para obtener la señal de transmisión se utilizó la relación T=S m /S r donde la S m corresponde a la transformada de Fourier de la muestra, mientras que la S r es la

5 transformada de Fourier de la señal de referencia. Grafica 3: frecuencia (THz) vs transmitancia Una vez colocada la estructura periódica 2D en el TDS-THz se realizó un barrido en el eje Z, es decir, la muestra se colocó por debajo de la señal THz y por medio de una platina automatizada se hicieron desplazamientos de 10 µm hasta recorrer la altura completa de los postes de SU-8 (270 µm), registrando una señal para cada una de las posiciones. En el caso de la gráfica 4 se muestra la señal de referencia (color rojo), con una amplitud promedio de 15 mv, mientras que las señales que están atravesando la muestra se atenuaron hasta las decenas de los micro-volts. Además de que los pulsos que atraviesan la muestra presentan un ligero retardo de 0.4 ps comparado con la señal de referencia. Grafica 4: tiempo (ps) vs voltaje (mv) Grafica 5: frecuencia (THz) vs Amplitud (a.u) Referencia En el caso de la gráfica 5 se observa el espectro de frecuencia normalizada para cada una de las señales obtenidas experimentalmente, en el caso de la señal de referencia (color rojo), se obtiene un ancho de banda de 2.3 THz.

6 Por otro lado las señales en color verde, negro y azul corresponden a las posiciones de 210, 220 y 230 µm de altura respectivamente. Analizando la señal correspondiente a las 220 µm parece ser que se encontró la posición adecuada para filtrar frecuencias en el rango de los THz, es decir, la primera banda prohibida que se espera obtener (resultados teóricos obtenidos en la simulación de COMSOL), con la configuración del cristal descrita anteriormente es de THz, mientras que los resultados experimentales muestran una banda prohibida de THz, (línea naranja de la gráfica 6). La razón de este ensanchamiento se podría deber a que la radiación THz no está concentrada totalmente dentro del cristal 2D, es decir, no se sabe con exactitud cuál es el porcentaje de las ondas T que están atravesando la muestra por completo y que porcentaje de la radiación se está fugando de la muestra, debido a la configuración con la que se realizaron estas pruebas preliminares. Grafica 6: frecuencia (THz) vs transmitancia. La señal amarilla, cian y magenta corresponden a posiciones cercanas a la interfaz entre el portaobjetos y los postes de SU-8 donde la señal se atenúa casi por completo (grafica 5) debido a que su recorrido en esta zona es más de 1 cm de distancia, ocasionando que la señal no logré atravesarla teniendo una transmisión menor al 20 % como se muestra en la gráfica 6. Para los resultados del barrido en el eje X primero se colocó la muestra a 220 µm de altura, y en esta posición se llevó acabó un barrido de 300 µm en esta dirección con pasos de 10 µm. En la gráfica 7 nuevamente se tiene la señal de referencia y algunas de las señales que están atravesando la estructura 2D, con la diferencia de que ahora las señales que atraviesan el cristal se atenuaron hasta el orden de los micro-volt. En el casos de la gráfica 8, se observa nuevamente que la señal de referencia tiene un ancho de 2.3 THz (color rojo), mientras que algunas de las señales que atraviesan la muestra y que se colocaron de forma ascendente, es decir se escogieron 6 señales que incluyen el valor de menor atenuación (color verde), pasando por valores intermedios (azul, negra, amarilla y cian) hasta una mayor atenuación (color magenta). El propósito de este barrido fue primordialmente ver si había cambios en el acople de la radiación T y como se puede observar a diferencia de la gráfica 5, en la gráfica 8 todas las

7 señales que atraviesan la muestra se cortan a 1 THz aproximadamente independientemente de la posición en la que se encuentre. Grafica 7: tiempo (ps) vs voltaje (mv) Grafica 8: frecuencia (THz) vs Amplitud (a.u) Referencia menor atenuación mayor atenuación Finalmente en la gráfica 9 se observa claramente la banda prohibida filtrando frecuencias de 1 a 1.7 THz experimentalmente, y al comparar con los resultados teóricos de la simulación de THz, solo que como ya se mencionó al igual que el barrido en el eje Z la banda prohibida que se encontró experimentalmente es más ancha que la esperada, esto también se podría deber a la forma en la que la radiación T está llegando en forma cónica por la lente de enfoque. Por otro lado la posición donde se colocaron las muestras no es exactamente en el plano focal nuevamente por la configuración del experimento. Estas se colocaron dentro de la región conocida como parámetro de Rayleigh (Z=π ω 2 / λ), donde ω es la cintura del haz y λ es la longitud de onda (λ= 300 µm y ω = 1mm) es de 1 cm, cabe aclarar que en esta zona todavía se consideran los frentes de onda como planos. Grafica 9: frecuencia (THz) vs transmitancia