Metamaterialele sunt structuri sub-lungime de undă care au permis recent multe aplicații optice noi cu un factor de formă mai compact decât omologii tradiționali.1-6 Odată cu dimensiunile reduse ale caracteristicilor și scalarea acestor dispozitive optice noi, multe aplicații vor obține performanțe mai mari dacă pot fi create nanostructuri cu un prag de deteriorare ridicat pentru a gestiona puteri optice mari. Astfel de aplicații includ: Componentele LIDAR care permit o putere laser mai mare pentru detectarea pe distanțe mai mari, lentilele plate în sistemele de inspecție a defectelor bazate pe laser pentru industria semiconductorilor și acceleratoarele laser dielectrice (DLA) care au potențialul de a micșora dramatic atât dimensiunea, cât și costul sistemelor (inclusiv imagistica și terapia medicală, litografia XUV etc.) centrate în jurul fasciculelor de particule de mare energie.7-13
Oxidul de galiu (Ga2O3) este un oxid semiconductor cu bandă interzisă largă, dezvoltat relativ recent, cu multe proprietăți distincte. Ga2O3 și-a demonstrat potențialul ca oxid conductor transparent (TCO) pentru fotodetectori UV profunzi și electronice de mare putere.14-24 În această lucrare, valorificăm pragul ridicat de deteriorare a laserului25, 26 și conductivitatea moderată a Ga2O3 pentru a demonstra primele nanostructuri de Ga2O3 produse în cadrul unui accelerator compact de electroni acționat prin laser. Fiind un TCO cu o toleranță ridicată la puterea optică, Ga2O3 ar putea face din Ga2O3 un candidat ideal atât pentru nanostructurile acceleratoarelor laser (DLA), cât și pentru alte aplicații metamateriale, cum ar fi plasmonica cu pierderi reduse.3 În plus, analizăm potențialul Ga2O3 ca strat subțire de acoperire pentru nanostructurile Si pentru a îmbunătăți potențial performanța acceleratoarelor laser dielectrice (DLA) bazate pe Si.
unde Ez (z (t),t) este câmpul electric in situ în timp real experimentat de electroni în direcția de propagare a electronilor. fA (=Gacc/Einc) se numește raportul de câmp, care este un parametru dependent de geometrie, independent de Einc, unde Einc este amplitudinea câmpului electric laser incident. Pentru fiecare Einc dat, există unul sau mai multe puncte în structura grătarului în care se află cea mai mare amplitudine maximă a câmpului electric, Emax. Factorul de amplificare dependent de geometrie se definește ca η = Emax/Einc. Pragul etic (=max{Emax} = η max{Einc}) este amplitudinea maximă a câmpului electric în cadrul structurii chiar înainte de ruperea câmpului optic. Un alt parametru important, factorul de deteriorare DF = f A η = G acc E max , este utilizat pentru a caracteriza cât de eficient servesc rețelele ca o mască de fază pentru a utiliza câmpul electric incident pentru a accelera electronii, fără a poseda prea multe puncte fierbinți în distribuția câmpului electric pentru a supraviețui unui Einc ridicat. Pentru o cuplare eficientă a câmpului la electroni, perioada rețelei este supusă constrângerii de adaptare de fază, Λ = βλ, unde λ este lungimea de undă a laserului de comandă și β este viteza electronilor normalizată la viteza luminii, c. Parametrii geometrici care definesc rețeaua DLA sunt lățimea rețelei, w, adâncimea, d, și perioada, Λ. Ciclul de funcționare este definit ca w/Λ.
Utilizăm o metodă FDTD (finite-difference time-domain) pentru a optimiza atât raportul de câmp, fA, cât și factorul de deteriorare, DF. Optimizăm lățimea, w și adâncimea, d pentru gradientul de accelerație maxim al DLA-urilor Ga2O3 la β = 0,54, presupunând o lungime de undă laser de 2,0 µm. Dimensiunile optimizate ale caracteristicilor au d = 600 nm și w/Λ = 50%. Atât fA, cât și DF scad cu mai puțin de 10% cu ferestre de toleranță de 600 ± 100 nm și 50 ± 10% pentru adâncime și, respectiv, ciclu de funcționare.
Figura 1b prezintă laserul de comandă care cade în mod normal asupra dispozitivului cu rețea fabricat. Laserul de comandă utilizat în acest experiment (indicat cu roșu cu săgeata care arată vectorul laser k →) are o lungime de undă de 2,0 µm, cu o durată a impulsurilor de 250 fs și o rată de repetiție de 100 kHz. Fasciculul de electroni se deplasează pe verticală de sus în jos. Figura 1c prezintă o schemă a montajului experimental al acceleratorului de electroni acționat prin laser. Fasciculul de electroni pulsat este generat de impulsuri laser UV sincronizate cu laserul de comandă, care este incident pe un fotocatod plat de cupru, producând un fascicul de electroni de 1 ± 0,2 ps. Electronii sunt focalizați de o lentilă magnetică la o dimensiune a spotului de 700 ± 100 nm în punctul de interacțiune (vârful săgeții roșii din figura 1b). Electronii interacționează cu laserul de comandă în apropierea suprafeței grătarului. Fasciculul de electroni călătorește prin structură până la un spectrometru magnetic și este incident pe un detector cu placă cu microcanal (MCP), unde se măsoară spectrul energetic al electronilor cu o rezoluție energetică de 40 eV. Detaliile de fabricare a nanostructurilor de safir și Ga2O3 sunt descrise în secțiunea experimentală. Figura 1d-f prezintă imaginile SEM ale nanostructurilor de safir și Ga2O3. Vizualizări mărite ale fiecăreia sunt prezentate în figura 1e-g, respectiv în figura 1e-g.
Spectrele electronice măsurate în MCP pentru ambele DLA-uri de safir și Ga2O3 sunt prezentate în Figura 2a-d. Axa orizontală reprezintă modularea longitudinală a energiei în raport cu energia inițială a electronilor de 96,3 keV (β = 0,54). Axa verticală este devierea electronilor în mrad. Imaginile „Laser oprit” din figura 2a,b arată distribuția densității electronice în absența interacțiunii laser-electron. În schimb, imaginile „Laser On” (Figura 2c,d) arată două cozi distincte de fiecare parte a distribuției. Aceste cozi sunt compuse din electroni decelerați și accelerați. Pornind de la densitatea de sarcină prezentată în figura 2a-d, am trasat în figura 2e,f numărul normalizat de electroni în funcție de modularea energiei. Scăderea densității de electroni în vârful energetic central pentru curba de activare a laserului (în roșu), în comparație cu curba de dezactivare a laserului (în albastru), indică faptul că electronii aflați inițial la această energie centrală au suferit un câștig sau o pierdere de energie din cauza interacțiunii cu laserul de comandă. Câștigul maxim de energie al DLA din safir a fost de 1 ± 0,1 keV pe o distanță de interacțiune de 18 µm, ceea ce dă un gradient de accelerație de 56 ± 6 MeV m-1 la un Einc de 3,1 GV m-1. Câștigul maxim de energie al DLA din Ga2O3 este de 2,4 ± 0,1 keV pe o distanță de interacțiune de 23 µm, ceea ce produce un gradient de accelerație de 104 ± 4 MeV m-1 la un Einc de 2,4 GV m-1.
Acestea sunt primele demonstrații reușite de accelerare a electronilor cu laser cu nanostructuri semiconductoare de Ga2O3 cu bandă de separare largă. Gradientul de accelerare al acestui DLA Ga2O3 pe bază de rețea este aproape dublu față de cel al structurii de safir. Presupunem că conductivitatea mai mare a Ga2O3 permite o apropiere mai mare a electronilor de suprafața rețelei, ceea ce are ca rezultat câmpuri de accelerare mai mari datorită naturii exponențiale a câmpului apropiat în rețea.8, 9, 27 LIDT măsurat este de 0,36 ± 0,04 J cm-2 pentru rețelele de Ga2O3 atât în vid, cât și în aer, ceea ce este comparabil cu cel al rețelelor de safir (0,40 ± 0,04 J cm-2). Einc maxim înainte de apariția deteriorării este astfel de 3,3 GV m-1 pentru rețelele Ga2O3, utilizând parametrii laser cu o lungime de undă de 2,0 µm, cu o durată a impulsului de 250 fs și o rată de repetiție de 100 kHz. (Măsurătorile LIDT sunt descrise în secțiunea experimentală). DLA Ga2O3 demonstrat aici a fost operat la o fluență laser de 0,19 J cm-2, mult sub LIDT-ul lor, pentru a asigura o funcționare stabilă.
Siliciul este, de departe, materialul cel mai dezvoltat, cel mai puțin costisitor și cu cel mai mare diametru de placă care permite fabricarea de nanostructuri complexe și precise. În mod fortuit, acesta este, de asemenea, o mască de fază foarte eficientă la lungimi de undă de la vizibil până la infraroșu mediu, datorită indicelui său de refracție comparabil de ridicat. Prin urmare, ne propunem să valorificăm LIDT mai mare al Ga2O3 discutat mai sus pentru a îmbunătăți performanța nanostructurilor Si. Acest lucru ar putea fi realizat prin adăugarea unui strat subțire de Ga2O3 la o structură de rețea de Si, care acționează ca un strat de reducere a câmpului (figura 3a,b). Reducerea intensificării câmpului local la marginile ascuțite este notabilă. În plus, materialul ideal pentru un strat AR de Si are un indice de ≈1,85. Ga2O3 are un indice de refracție de 1,9 în NIR. Aici, am ales un strat de acoperire conformă Ga2O3 de 30 nm pentru grila Si. 30 nm este ales ca un compromis între următorii factori: 1) Filmele mai groase (cum ar fi straturile de un sfert de undă) oferă o acoperire antireflexie (AR) mai bună, dar vor reduce semnificativ fA și, prin urmare, vor duce la un Gacc mai mic. 2) Filmele mai subțiri nu oferă o reducere semnificativă a câmpului.
Figura 3a prezintă distribuția calculată a câmpului electric în apropierea unei structuri de rețea Si proiectate pentru o lungime de undă laser de comandă de 2,0 µm. Se poate observa din figura 3b că, prin adăugarea unui strat de Ga2O3 de 30 nm, factorul de intensificare a câmpului η = Emax/Einc este redus de 2,9 ori (comparând probele acoperite față de cele neacoperite). Punctele fierbinți apar acum la suprafața Ga2O3 în loc de suprafața Si, iar filmul subțire de Ga2O3 ar putea să tolereze un Einc mai mare decât structura Si masivă. În teorie, dacă LIDT este determinată doar de amplitudinea câmpului electric incident, având în vedere că η = Emax/Einc este redus de 2,9 ori cu o reducere fA de mai puțin de 1% prin adăugarea acestui strat subțire de Ga2O3 ilustrat în simularea FDTD, DF = fA/η = Gacc/Emax crește de 2,9 ori, așa cum se arată în figura 3c,d.
Într-un set de măsurători LIDT, am constatat că nu s-a observat nicio modificare a LIDT (0,04 J cm-2) atunci când s-a folosit un laser cu lungime de undă de 250 fs, rată de repetiție de 100 kHz și lungime de undă de 2 µm. Într-un alt set de experimente cu un laser de 100 fs, rată de repetiție de 1 kHz, lungime de undă de 2 µm, max{Einc} crește de la 0,83 GV m-1 (Si DLA) la 1,52 GV m-1 (Si DLA acoperit). În primul set de experimente cu o rată de repetiție mai mare și o durată a impulsului mai lungă de 250 fs, credem că efectele termice, cum ar fi topirea termică, contribuie la deteriorarea indusă de laser. În cel de-al doilea set de experimente, considerăm că deteriorarea este probabil o deteriorare indusă de câmp cu efecte termice reduse din cauza ratei de repetiție mai mici, de 1 kHz. Aceste rezultate merită studii suplimentare privind deteriorarea laserului și o mai bună dezvoltare a calității filmului în viitor.
În rezumat, am demonstrat nanostructuri fabricate din Ga2O3 cu un prag ridicat de deteriorare indusă de laser (LIDT) de 0,36 ± 0,04 J cm-2, comparabil cu cel al safirului. În plus, raportăm demonstrarea unui accelerator de electroni bazat pe nanostructuri Ga2O3, care oferă un gradient de accelerare de 104 ± 4 MeV m-1, depășindu-le pe cele posibile cu acceleratoarele RF convenționale datorită pragului de rupere ridicat al Ga2O3. În plus, arătăm potențialul straturilor subțiri de acoperire ca straturi de reducere a câmpului pentru nanostructurile Si pentru a îmbunătăți potențial LIDT efectiv și performanța nanostructurilor bazate pe Si. Aceste rezultate demonstrează aplicația optică promițătoare de mare putere a nanostructurilor Ga2O3 ca accelerator de electroni miniaturizat acționat prin laser. Având în vedere proprietățile electrice și optice distincte ale Ga2O3, combinate cu progresele în tehnicile de fabricare și de creștere a plachetelor, în viitorul apropiat vor fi realizate mai multe aplicații optice noi de mare putere bazate pe Ga2O3.