Modelización y producción de elementos fotónicos en superficie y en volumen por estructuración de dieléctricos con pulsos láser ultracortos

  1. del Hoyo Muñoz, Jesus
Supervised by:
  1. Javier Solís Céspedes Director

Defence university: Universidad Complutense de Madrid

Fecha de defensa: 04 November 2016

Committee:
  1. Rosa María Weigand Talavera Chair
  2. Emilio Nogales Díaz Secretary
  3. Juan Antonio Valles Brau Committee member
  4. Eugenio Cantelar Alcaide Committee member
  5. Rebeca Martínez Vázquez Committee member

Type: Thesis

Abstract

El desarrollo de los láseres de pulsos ultracortos ha posibilitado el procesado por láser de materiales dieléctricos mediante absorción multifotónica. Esta técnica tiene numerosas ventajas para la producción de dispositivos fotónicos, incluyendo su elevada resolución espacial y la capacidad de procesado tridimensional en un esquema de escritura directa. De hecho, el procesado con pulsos láser ultracortos (PLPU) se ha aplicado exitosamente para la fabricación de un buen número de dispositivos fotónicos de altas prestaciones. Existen, no obstante, diversos problemas que limitan su uso generalizado para la fabricación de dispositivos fotónicos. Uno de ellos es el limitado contraste de índice de refracción (¿n) accesible mediante mecanismos de modificación convencionales (densificación, cambios de polarizabilidad o estructura, etc.) y que es generalmente menor que 10-2. Por otra parte, los fenómenos de propagación no- lineal tienen un gran impacto en el depósito de energía del haz bajo la superficie del material, distorsionando el perfil de depósito de energía (PDE) requerido. Por otro lado, la elevada rugosidad producida en las estructuras generadas en superficie por irradiación con pulsos ultracortos genera niveles de pérdidas que merman sustancialmente la eficacia de los dispositivos producidos por estructuración superficial. El objetivo global de esta tesis ha sido mejorar las prestaciones de dispositivos fotónicos fabricados mediante PLPU de materiales cristalinos y vítreos. En concreto, se ha tratado de abordar los tres problemas del procesado no-lineal de dieléctricos con pulsos láser ultracortos descritos anteriormente. El problema de las pérdidas de propagación de las guías de onda en superficie estructuradas con pulsos láser de fs se ha abordado de la siguiente manera. Primero, se ha analizado el efecto de diferentes parámetros de escritura para tres tipos de haces diferentes (Gaussianos multiplexados, de Gauss-Bessel y acelerados), consiguiendo rugosidades sobre 250 nm, que permiten alcanzar perdidas de propagación sobre 1 dB/cm. Se han fabricado guías de onda de estructura ¿ridge¿ en LiNbO3 y KY(WO4)2 dopados con Nd3+ e Yb3+, respectivamente, con haces Gaussianos multiplexados, consiguiendo pérdidas de propagación de 1.3 dB/cm y láseres con una eficiencia del 78%. Por último, se han producido guías de onda de tipo ¿load¿ para reducir las pérdidas por debajo de 0.5 dB/cm. El problema de la distorsión producida por los efectos de propagación no-lineal se ha abordado desarrollando Propagador, un software capaz de simular los efectos no lineales más relevantes experimentados por un pulso laser ultracorto durante su propagación en el seno del material. El computo requiere apenas unos minutos de cálculo en un ordenador corriente. Los límites de validez del modelo se han analizado concienzudamente. También se ha comparado cálculos de Propagador con modelos más complejos e irradiaciones experimentales, demostrando la validez de los cálculos. Estas comparaciones también han permitido determinar los coeficientes no lineales de los materiales estudiados. Propagador también se ha utilizado para diseñar frentes de onda capaces de precompensar la distorsión producida en el PDE por efectos no lineales. Finalmente, el problema del bajo ¿n en guías bajo superficie se ha solventado mediante el novedoso mecanismo de migración iónica usando haces de alta frecuencia de repetición en vidrios de fosfato dopados con Er3+ e Yb3+, consiguiendo valores de ¿n mayores que 1.5X10-2. Se ha demostrado que se puede controlar el tamaño y valor de ¿n de la zona de guiado mediante los parámetros de escritura. La migración del Er3+ se ha empleado para medir, de forma indirecta, el valor de ¿n y optimizar las prestaciones de los dispositivos. Cabe destacar la obtención de guías de onda activas con 9 dB de ganancia neta y láseres con una eficiencia del 38%, la más alta conseguida hasta el momento en este tipo de vidrios mediante PLPU.