Metamateriály jsou subvlnové struktury, které v poslední době umožnily mnoho nových optických aplikací s kompaktnějším tvarovým faktorem než tradiční protějšky.1-6 Díky zmenšení rozměrů prvků a škálování těchto nových optických zařízení bude mnoho aplikací dosahovat vyššího výkonu, pokud se podaří vytvořit nanostruktury s vysokým prahem poškození pro zvládání vysokých optických výkonů. Mezi takové aplikace patří např: Ploché čočky v systémech laserové kontroly defektů pro polovodičový průmysl a dielektrické laserové urychlovače (DLA), které mají potenciál výrazně zmenšit velikost i náklady systémů (včetně lékařského zobrazování a terapie, XUV litografie atd.) soustředěných kolem svazků částic s vysokou energií.7-13
Oxid galia (Ga2O3) je relativně nově vyvinutý polovodičový oxid se širokým pásmem a mnoha výraznými vlastnostmi. Ga2O3 prokázal svůj potenciál jako transparentní vodivý oxid (TCO) pro fotodetektory s hlubokým UV zářením a vysoce výkonnou elektroniku.14-24 V tomto článku využíváme vysoký práh poškození laserem25, 26 a mírnou vodivost Ga2O3 k demonstraci prvních nanostruktur Ga2O3 vyrobených kompaktním laserem řízeným urychlovačem elektronů. Vzhledem k tomu, že Ga2O3 je TCO s vysokou tolerancí optického výkonu, může být potenciálně ideálním kandidátem jak pro nanostruktury laserových urychlovačů (DLA), tak pro další metamateriálové aplikace, jako je nízkoztrátová plazmonika.3 Kromě toho analyzujeme potenciál Ga2O3 jako tenkovrstvého povlaku pro nanostruktury Si k potenciálnímu zvýšení výkonu dielektrických laserových urychlovačů (DLA) na bázi Si.
kde Ez (z (t),t) je elektrické pole v reálném čase in situ, které elektrony zažívají ve směru šíření elektronů. fA (=Gacc/Einc) se nazývá poměr pole, což je geometricky závislý parametr nezávislý na Einc, kde Einc je amplituda dopadajícího laserového elektrického pole. Pro každý daný Einc existuje ve struktuře mřížky jedno nebo více míst, kde se nachází nejvyšší amplituda elektrického pole, Emax. Geometricky závislý zesilovací faktor je definován jako η = Emax/Einc. Ethreshold (=max{Emax} = η max{Einc}) je maximální amplituda elektrického pole uvnitř struktury těsně před průrazem optického pole. Další důležitý parametr, faktor poškození DF = f A η = G acc E max , se používá k charakterizaci toho, jak účinně mřížky slouží jako fázová maska k využití dopadajícího elektrického pole k urychlení elektronů a zároveň nemají příliš mnoho horkých míst v rozložení elektrického pole, která by přežila vysoký Einc. Pro účinné propojení pole s elektrony podléhá perioda mřížky omezení fázového přizpůsobení Λ = βλ, kde λ je vlnová délka řídicího laseru a β je rychlost elektronů normalizovaná na rychlost světla c. Geometrické parametry, které definují mřížku DLA, jsou šířka mřížky w, hloubka d a perioda Λ. Pracovní cyklus je definován jako w/Λ.
K optimalizaci poměru polí, fA, i faktoru poškození, DF, používáme metodu konečné diferenční časové oblasti (FDTD). Optimalizujeme šířku, w a hloubku, d pro maximální gradient zrychlení Ga2O3 DLA při β = 0,54 za předpokladu vlnové délky laseru 2,0 µm. Optimalizované velikosti prvků mají d = 600 nm a w/Λ = 50 %. Jak fA, tak DF se sníží o méně než 10 % s tolerančními okny 600 ± 100 nm a 50 ± 10 % pro hloubku a pracovní cyklus.
Na obrázku 1b je zobrazen hnací laser normálně dopadající na vyrobené mřížkové zařízení. Hnací laser použitý v tomto experimentu (označený červeně šipkou znázorňující vektor k → laseru) má vlnovou délku 2,0 µm, délku pulzu 250 fs a opakovací frekvenci 100 kHz. Svazek elektronů se pohybuje svisle shora dolů. Obrázek 1c ukazuje schéma experimentálního uspořádání laserem řízeného urychlovače elektronů. Pulzní svazek elektronů je generován pulzy UV laseru synchronizovanými s hnacím laserem, které dopadají na plochou měděnou fotokatodu a vytvářejí svazek elektronů o délce 1 ± 0,2 ps. Elektrony jsou zaostřeny magnetickou čočkou na velikost bodu 700 ± 100 nm v místě interakce (hrot červené šipky na obrázku 1b). Elektrony interagují s hnacím laserem v blízkosti povrchu mřížky. Svazek elektronů prochází strukturou do magnetického spektrometru a dopadá na mikrokanálový deskový detektor (MCP), kde se měří energetické spektrum elektronů s energetickým rozlišením 40 eV. Podrobnosti o výrobě safírových nanostruktur a nanostruktury Ga2O3 jsou popsány v experimentální části. Na obrázcích 1d-f jsou zobrazeny snímky SEM nanostruktur safíru a Ga2O3. Zvětšené pohledy na každou z nich jsou zobrazeny na obrázku 1e-g.
Elektronová spektra naměřená v MCP pro safírovou i Ga2O3 DLA jsou zobrazena na obrázcích 2a-d. Na vodorovné ose je znázorněna podélná modulace energie vzhledem k počáteční energii elektronů 96,3 keV (β = 0,54). Svislá osa je výchylka elektronů v mrad. Obrázky „Laser Off“ na obr. 2a,b ukazují rozložení elektronové hustoty v nepřítomnosti interakce laser-elektron. Naproti tomu snímky „Laser On“ (Obrázek 2c,d) ukazují dva výrazné chvosty na každé straně rozložení. Tyto chvosty jsou tvořeny zpomalenými a urychlenými elektrony. Z hustoty náboje zobrazené na obr. 2a-d jsme na obr. 2e,f vykreslili normalizované počty elektronů jako funkci energetické modulace. Snížení elektronové hustoty v centrálním energetickém píku pro křivku zapnutého laseru (červeně) ve srovnání s křivkou vypnutého laseru (modře) naznačuje, že elektrony původně na této centrální energii zaznamenaly zisk nebo ztrátu energie v důsledku interakce s hnacím laserem. Maximální zisk energie safírového DLA byl 1 ± 0,1 keV na interakční vzdálenosti 18 µm, což dává gradient urychlení 56 ± 6 MeV m-1 při Einc 3,1 GV m-1. Maximální energetický zisk Ga2O3 DLA je 2,4 ± 0,1 keV na interakční vzdálenosti 23 µm, což dává gradient urychlení 104 ± 4 MeV m-1 při Einc 2,4 GV m-1.
Jedná se o první úspěšné demonstrace laserem řízené akcelerace elektronů pomocí širokopásmových polovodičových nanostruktur Ga2O3. Gradient urychlení této Ga2O3 DLA na bázi mřížky je téměř dvakrát vyšší než u safírové struktury. Předpokládáme, že vyšší vodivost Ga2O3 umožňuje bližší přiblížení elektronů k povrchu mřížky, což má za následek vyšší urychlovací pole v důsledku exponenciálního rozpadu blízkého pole v mřížkách.8, 9, 27 Naměřená hodnota LIDT je 0,36 ± 0,04 J cm-2 pro Ga2O3 mřížky ve vakuu i na vzduchu, což je srovnatelné s hodnotou u safírových mřížek (0,40 ± 0,04 J cm-2). Maximální Einc před vznikem poškození je tedy 3,3 GV m-1 pro Ga2O3 mřížky při použití laserových parametrů o vlnové délce 2,0 µm, s dobou trvání pulzu 250 fs a opakovací frekvencí 100 kHz. (Měření LIDT jsou popsána v experimentální části). Zde demonstrované Ga2O3 DLA byly provozovány při laserovém toku 0,19 J cm-2, což je mnohem méně než jejich LIDT, aby byl zajištěn stabilní provoz.
Křemík je zdaleka nejrozvinutější, nejlevnější a největší materiál o průměru destičky, který umožňuje výrobu složitých a přesných nanostruktur. Naštěstí je díky svému srovnatelně vysokému indexu lomu také velmi účinnou fázovou maskou pro vlnové délky od viditelné až po střední infračervenou oblast. Proto navrhujeme využít výše zmíněný vyšší LIDT Ga2O3 ke zlepšení výkonu Si nanostruktur. Toho lze dosáhnout přidáním tenkovrstvé vrstvy Ga2O3 do struktury Si mřížky, která funguje jako vrstva snižující pole (obr. 3a,b). Pozoruhodné je snížení lokálního zesílení pole na ostrých hranách. Ideální materiál pro povlak Si AR má navíc index ≈1,85. Ga2O3 má index lomu 1,9 v NIR. Zde jsme pro Si mřížku zvolili konformní povlakovou vrstvu Ga2O3 o tloušťce 30 nm. Velikost 30 nm je zvolena jako kompromis mezi následujícími faktory: 1) Silnější vrstvy (např. čtvrtvlnné vrstvy) poskytují lepší antireflexní (AR) povlak, ale výrazně sníží fA, a tím povedou k nižšímu Gacc. 2) Tenčí vrstvy neposkytují výrazné snížení pole.
Na obrázku 3a je znázorněno vypočtené rozložení elektrického pole v blízkosti struktury Si mřížky navržené pro vlnovou délku hnacího laseru 2,0 µm. Z obrázku 3b je patrné, že přidáním povlaku Ga2O3 o tloušťce 30 nm se faktor zesílení pole η = Emax/Einc sníží 2,9krát (při porovnání povlakovaných a nepovlakovaných vzorků). Horké skvrny se nyní vyskytují na povrchu Ga2O3 místo na povrchu Si a tenkovrstvá vrstva Ga2O3 by potenciálně mohla tolerovat vyšší Einc než objemová struktura Si. Teoreticky, pokud je LIDT určován pouze amplitudou dopadajícího elektrického pole, vzhledem k tomu, že η = Emax/Einc se přidáním této tenké vrstvy Ga2O3 znázorněné v simulaci FDTD sníží 2,9krát při snížení fA o méně než 1 %, zvýší se DF = fA/η = Gacc/Emax 2,9krát, jak ukazuje obrázek 3c,d.
V jedné sadě našich měření LIDT jsme zjistili, že při použití laseru s opakovací frekvencí 250 fs, 100 kHz a vlnovou délkou 2 µm nebyla pozorována žádná změna LIDT (0,04 J cm-2). V další sadě experimentů s laserem 100 fs, opakovací frekvencí 1 kHz, vlnovou délkou 2 µm se max{Einc} zvyšuje z 0,83 GV m-1 (Si DLA) na 1,52 GV m-1 (potažená Si DLA). V první sadě experimentů s vyšší opakovací frekvencí a delší dobou trvání pulzu 250 fs se domníváme, že k laserem indukovanému poškození přispívají tepelné efekty, například tepelné tavení. Ve druhé sadě experimentů se domníváme, že poškození je pravděpodobně poškozením vyvolaným polem se sníženými tepelnými účinky kvůli nižší opakovací frekvenci 1 kHz. Tyto výsledky si zaslouží další studie laserového poškození a lepší vývoj kvality filmu v budoucnosti.
Shrnem jsme prokázali nanostruktury vyrobené z Ga2O3 s vysokým prahem laserem indukovaného poškození (LIDT) 0,36 ± 0,04 J cm-2, srovnatelným se safírem. Dále jsme uvedli demonstraci urychlovače elektronů založeného na nanostrukturách Ga2O3, který poskytuje gradient urychlení 104 ± 4 MeV m-1, což přesahuje hodnoty možné u běžných RF urychlovačů díky vysokému prahu průrazu Ga2O3. Kromě toho ukazujeme potenciál tenkovrstvých povlaků jako vrstev pro redukci pole pro nanostruktury Si, které mohou potenciálně zlepšit efektivní LIDT a výkon nanostruktur na bázi Si. Tyto výsledky ukazují slibné vysokovýkonné optické použití nanostruktur Ga2O3 jako miniaturizovaného laserem řízeného urychlovače elektronů. Díky výrazným elektrickým a optickým vlastnostem Ga2O3 v kombinaci s pokroky ve výrobě a technikách růstu destiček bude v blízké budoucnosti realizováno více nových vysoce výkonných optických aplikací na bázi Ga2O3.