I metamateriali sono strutture a lunghezza d’onda inferiore che hanno recentemente permesso molte nuove applicazioni ottiche con un fattore di forma più compatto rispetto alle controparti tradizionali.1-6 Con le dimensioni ridotte delle caratteristiche e la scalabilità di questi nuovi dispositivi ottici, molte applicazioni raggiungeranno prestazioni più elevate se possono essere create nanostrutture con una soglia di danno elevata per gestire alte potenze ottiche. Tali applicazioni includono: Componenti LIDAR che permettono una maggiore potenza del laser per un rilevamento a più lungo raggio, lenti piatte in sistemi di ispezione dei difetti basati sul laser per l’industria dei semiconduttori, e acceleratori laser dielettrici (DLA) che hanno il potenziale per ridurre drasticamente sia le dimensioni che i costi dei sistemi (tra cui l’imaging e la terapia medica, la litografia XUV, ecc) incentrati su fasci di particelle ad alta energia.7-13
L’ossido di gallio (Ga2O3) è un ossido semiconduttore ad ampio bandgap relativamente recente con molte proprietà diverse. Ga2O3 ha dimostrato il suo potenziale come un ossido conduttivo trasparente (TCO) per fotorivelatori UV profondo ed elettronica ad alta potenza.14-24 In questo documento, sfruttiamo l’alta soglia di danno laser25, 26 e moderata conducibilità di Ga2O3 per dimostrare il primo Ga2O3 nanostrutture prodotte compatto acceleratore di elettroni guidato dal laser. Essendo un TCO con alta tolleranza di potenza ottica potrebbe potenzialmente fare Ga2O3 un candidato ideale sia per nanostrutture acceleratore laser (DLA) e altre applicazioni metamateriale, come bassa perdita plasmonics.3 Inoltre, analizziamo il potenziale di Ga2O3 come un rivestimento a strato sottile per nanostrutture Si per migliorare potenzialmente le prestazioni di Si-based acceleratori laser dielettrici (DLA).
dove Ez (z (t),t) è il campo elettrico in situ in tempo reale sperimentato dagli elettroni nella direzione di propagazione degli elettroni. fA (=Gacc/Einc) è chiamato il rapporto di campo, che è un parametro dipendente dalla geometria indipendente da Einc, dove Einc è l’ampiezza del campo elettrico laser incidente. Per ogni dato Einc, ci sono uno o più punti all’interno della struttura del reticolo in cui si trova la massima ampiezza di picco del campo elettrico, Emax. Il fattore di potenziamento dipendente dalla geometria è definito come η = Emax/Einc. Ethreshold (=max{Emax} = η max{Einc}) è la massima ampiezza del campo elettrico all’interno della struttura appena prima della rottura del campo ottico. Un altro parametro importante, il fattore di danno DF = f A η = G acc E max , è usato per caratterizzare quanto efficacemente i reticoli servono come maschera di fase per utilizzare il campo elettrico incidente per accelerare gli elettroni senza possedere troppi punti caldi nella distribuzione del campo elettrico per sopravvivere ad un alto Einc. Per un efficiente accoppiamento del campo agli elettroni, il periodo del reticolo è soggetto al vincolo di corrispondenza di fase, Λ = βλ, dove λ è la lunghezza d’onda del laser di guida e β è la velocità degli elettroni normalizzata alla velocità della luce, c. I parametri geometrici che definiscono il reticolo DLA sono la larghezza del reticolo, w, la profondità, d, e il periodo, Λ. Il duty cycle è definito come w/Λ.
Utilizziamo un metodo del dominio del tempo a differenza finita (FDTD) per ottimizzare sia il rapporto di campo, fA che il fattore di danno, DF. Ottimizziamo la larghezza, w e la profondità, d per il gradiente di accelerazione massima di Ga2O3 DLAs a β = 0.54, assumendo una lunghezza d’onda laser di 2.0 µm. Le dimensioni ottimizzate delle caratteristiche hanno d = 600 nm e w/Λ = 50%. Sia fA che DF diminuiscono di meno del 10% con finestre di tolleranza di 600 ± 100 nm e 50 ± 10% per la profondità e il duty cycle, rispettivamente.
La figura 1b mostra il laser di azionamento normalmente incidente sul dispositivo a griglia fabbricato. Il laser di azionamento utilizzato in questo esperimento (indicato in rosso con la freccia che mostra il vettore k → del laser) ha una lunghezza d’onda di 2.0 µm, con una durata dell’impulso di 250 fs e una frequenza di ripetizione di 100 kHz. Il fascio di elettroni viaggia verticalmente dall’alto verso il basso. La Figura 1c mostra uno schema della configurazione sperimentale dell’acceleratore di elettroni guidato dal laser. Il fascio di elettroni pulsato è generato da impulsi laser UV sincronizzati con il laser di azionamento, che è incidente su un fotocatodo di rame piatto, producendo un 1 ± 0,2 ps fascio di elettroni. Gli elettroni sono focalizzati da una lente magnetica ad una dimensione del punto di 700 ± 100 nm nel punto di interazione (la punta della freccia rossa in Figura 1b). Gli elettroni interagiscono con il laser di azionamento vicino alla superficie del reticolo. Il fascio di elettroni viaggia attraverso la struttura ad uno spettrometro magnetico ed è incidente su un rivelatore microchannel plate (MCP) dove lo spettro di energia degli elettroni è misurato con una risoluzione energetica di 40 eV. I dettagli di fabbricazione delle nanostrutture in zaffiro e Ga2O3 sono descritti nella sezione sperimentale. Figura 1d-f mostra le immagini SEM del zaffiro e Ga2O3 nanostrutture. Zoomato-in viste di ciascuno sono mostrati in Figura 1e-g, rispettivamente.
Gli spettri elettronici misurati nel MCP per entrambi zaffiro e Ga2O3 DLAs sono mostrati nella Figura 2a-d. L’asse orizzontale è la modulazione longitudinale dell’energia rispetto all’energia iniziale dell’elettrone di 96,3 keV (β = 0,54). L’asse verticale è la deflessione dell’elettrone in mrad. Le immagini “Laser Off” in Figura 2a,b mostrano la distribuzione della densità di elettroni in assenza dell’interazione laser-elettrone. Al contrario, le immagini “Laser On” (Figura 2c,d) mostrano due code distinte su ogni lato della distribuzione. Queste code sono composte da elettroni decelerati e accelerati. Dalla densità di carica mostrato in Figura 2a-d, tracciamo il conteggio degli elettroni normalizzati in funzione della modulazione di energia in Figura 2e,f. L’impoverimento della densità di elettroni nel picco di energia centrale per il laser sulla curva (in rosso), rispetto al laser fuori curva (in blu) indica che gli elettroni inizialmente a questa energia centrale sperimentato guadagno o perdita di energia a causa di interazione con il laser di azionamento. Il guadagno massimo di energia del DLA in zaffiro è stato di 1 ± 0,1 keV su una distanza di interazione di 18 µm, che dà un gradiente di accelerazione di 56 ± 6 MeV m-1 a un Einc di 3,1 GV m-1. Il guadagno massimo di energia del DLA Ga2O3 è di 2,4 ± 0,1 keV su una distanza di interazione di 23 µm, che produce un gradiente di accelerazione di 104 ± 4 MeV m-1 ad un Einc di 2,4 GV m-1.
Queste sono le prime dimostrazioni di successo dell’accelerazione di elettroni guidata dal laser con nanostrutture semiconduttrici Ga2O3 ad ampio bandgap. Il gradiente di accelerazione di questo reticolo basato su Ga2O3 DLA è quasi il doppio di quello della struttura in zaffiro. Si ipotizza che la maggiore conducibilità del Ga2O3 permette un approccio più vicino degli elettroni alla superficie del reticolo, con conseguente campi di accelerazione più elevati a causa della natura di decadimento esponenziale del campo vicino nelle griglie.8, 9, 27 Il LIDT misurato è 0,36 ± 0,04 J cm-2 per griglie Ga2O3 sia nel vuoto che in aria, che è paragonabile a quello di griglie zaffiro (0,40 ± 0,04 J cm-2). Il massimo Einc prima che si verifichi un danno è quindi 3,3 GV m-1 per i reticoli di Ga2O3, utilizzando i parametri del laser di una lunghezza d’onda di 2,0 µm, con una durata dell’impulso di 250 fs e una frequenza di ripetizione di 100 kHz. (Le misure LIDT sono descritte nella sezione sperimentale). Il Ga2O3 DLA dimostrato qui è stato azionato ad una fluenza laser di 0,19 J cm-2, molto al di sotto del loro LIDT per garantire un funzionamento stabile.
Il silicio è, di gran lunga, il materiale più sviluppato, meno costoso e di maggior diametro del wafer che permette la fabbricazione di nanostrutture complesse e precise. Fortunatamente, è anche una maschera di fase molto efficiente a lunghezze d’onda dal visibile al medio infrarosso, grazie al suo indice di rifrazione relativamente alto. Pertanto, proponiamo di sfruttare il LIDT superiore di Ga2O3 discusso sopra per migliorare le prestazioni delle nanostrutture di Si. Questo potrebbe essere ottenuto con l’aggiunta di un rivestimento a film sottile Ga2O3 a una struttura a griglia Si, che agisce come uno strato di riduzione del campo (Figura 3a, b). La riduzione dell’aumento di campo locale ai bordi taglienti è notevole. Inoltre, il materiale ideale per un rivestimento Si AR ha un indice di ≈1,85. Il Ga2O3 ha un indice di rifrazione di 1,9 nel NIR. Qui, abbiamo scelto uno strato di rivestimento conforme di 30 nm di Ga2O3 per il reticolo di Si. 30 nm è scelto come compromesso tra i seguenti fattori: 1) I film più spessi (come gli strati a quarto d’onda) forniscono un migliore rivestimento antiriflesso (AR), ma ridurranno marcatamente la fA e quindi porteranno a un Gacc inferiore. 2) I film più sottili non forniscono una riduzione significativa del campo.
La figura 3a mostra la distribuzione calcolata del campo elettrico vicino a una struttura a griglia in Si progettata per una lunghezza d’onda del laser di azionamento di 2,0 µm. Si può vedere dalla Figura 3b che aggiungendo un rivestimento di 30 nm Ga2O3, il fattore di aumento del campo η = Emax/Einc è ridotto di 2,9 volte (confrontando i campioni rivestiti con quelli non rivestiti). Gli hotspot ora si verificano sulla superficie del Ga2O3 invece che sulla superficie del Si, e il Ga2O3 a film sottile potrebbe potenzialmente tollerare un Einc più alto della struttura del Si alla rinfusa. In teoria, se il LIDT è determinato solo dall’ampiezza del campo elettrico incidente, dato η = Emax/Einc è ridotto di 2,9 volte con una riduzione fA di meno di 1% aggiungendo questo strato sottile di Ga2O3 illustrato nella simulazione FDTD, DF = fA/η = Gacc/Emax aumenta di 2,9 volte come mostrato nella Figura 3c,d.
In una serie di nostre misure LIDT, abbiamo trovato che nessun cambiamento di LIDT (0,04 J cm-2) è stato osservato quando si usa un laser da 250 fs, 100 kHz di frequenza di ripetizione, 2 µm di lunghezza d’onda. In un’altra serie di esperimenti con un laser da 100 fs, 1 kHz di ripetizione, 2 µm di lunghezza d’onda, max{Einc} aumenta da 0,83 GV m-1 (Si DLA) a 1,52 GV m-1 (Si DLA rivestito). Nella prima serie di esperimenti con un tasso di ripetizione più alto e una durata d’impulso più lunga di 250 fs, crediamo che gli effetti termici, come la fusione termica, contribuiscano al danno indotto dal laser. Nella seconda serie di esperimenti, crediamo che il danno sia probabilmente un danno indotto dal campo con effetti termici ridotti a causa della minore frequenza di ripetizione di 1 kHz. Questi risultati meritano ulteriori studi sui danni del laser e un migliore sviluppo della qualità del film in futuro.
In sintesi, abbiamo dimostrato nanostrutture fabbricate in Ga2O3 con un’elevata soglia di danno indotto dal laser (LIDT) di 0,36 ± 0,04 J cm-2, paragonabile a quella dello zaffiro. Inoltre, riportiamo la dimostrazione di un acceleratore di elettroni basato su nanostrutture Ga2O3, che fornisce un gradiente di accelerazione di 104 ± 4 MeV m-1, superando quelli possibili con acceleratori RF convenzionali a causa dell’alta soglia di rottura del Ga2O3. Inoltre, mostriamo il potenziale dei rivestimenti a strato sottile come strati di riduzione del campo per le nanostrutture in Si per migliorare potenzialmente il LIDT effettivo e le prestazioni delle nanostrutture basate su Si. Questi risultati dimostrano la promettente applicazione ottica ad alta potenza delle nanostrutture Ga2O3 come un acceleratore di elettroni miniaturizzato guidato dal laser. Con le distinte proprietà elettriche e ottiche del Ga2O3 combinate con i progressi nella fabbricazione e nelle tecniche di crescita dei wafer, altre nuove applicazioni ottiche ad alta potenza basate sul Ga2O3 saranno realizzate nel prossimo futuro.