Optical Fabrication of Nano-Structures and Their Applications

Abstract

We fabricated nano-structures optically in a photo-sensitive optical medium and explore their applications which include one-dimensional photonic bandgap lasing, three dimensional nano-woodpile photonic crystal structure, and nano gold particle assembly. First, we employed an azo nematic liquid crystal possessing photo-isomerization property as a photo-sensitive optical medium. By doping a cholesteric liquid crystal with an azo nematic liquid crystal, we could achieve an optically controllable one-dimensional photonic bandgap lasing in the cholesteric liquid crystal structure. A trans-cis photo-isomerization occurring in the azo nematic liquid crystal allows for a control over the spectral position and bandwidth of photonic bandgap. That is, the laser cavity present in the cholesteric liquid crystal structure can be altered by an optical means. Since the trans-cis photo-isomerization process is reversible, this kind of optical control is useful when application of a tunable laser is in need. This property is utilized in our experiment to demonstrate reversible tuning of laser emission and construction of two-dimensional array of laser cavities. Second, two-photon absorption nonlinear optical process was adopted to fabricate three-dimensional photonic crystal structures. Through a photopolymerization induced by two-photon absorptions, the two-photon absorption process can yield three-dimensional nano-structures possessing a spatial resolution higher than that allowed by a single photon absorption. In controlling the volume-pixel size of three-dimensional nano-structures, control of laser intensity and beam-waist size at the focal point is essential as well as two-photon absorption cross-section of precursor resin, which can be easily accommodated in a system incorporating mode-locked Ti:Sapphire femtosecond laser and high numerical aperture optics. We successfully fabricated a woodpile nano-structure, which belongs to a 3D photonic crystal structure exhibiting a full bandgap. Third, a photo-reduction process was utilized to obtain gold nano-sized particles in a polymer matrix. The optical absorption spectra showed that a surface plasmon resonance is present, which confirmed that gold nano particles are formed. Changes in the surface plasmon resonance peak are investigated as a function of the preparation parameters, such as UV irradiation time, film thickness, and molecular weight of polyvinyl alcohol polymer. Furthermore, energy dispersive spectroscopy was employed to quantitatively identify the amount of photoreduction process in the gold-polyvinyl alcohol film. A gold nano structure array can be applied to fabricate meta-materials that have a negative refractive index for electromagnetic radiation. All the processes introduced here can be adopted in a new design of optical information processors and their applications.;본 논문에서는 광학 활성 물질 내부에 나노 구조를 광학적으로 제작하는 방법과 그 응용에 관한 연구를 수행하였다. 연구의 내용은 1차원 광자 결정에서의 레이저 발생, 3차원 나노 크기의 나무적층구조 및 금 나노 입자 형성에 관한 것이다. 첫 번째 광 활성 물질로 광 이성질화 특성이 있는 아조 네마틱 액정에 관한 연구를 수행하였다. 콜레스테릭 액정에 아조 네마틱 액정을 첨가하여 광학적으로 제어가 가능한 1차원 광자 띠 구조 레이저를 구현하였다. 아조 네마티 액정에서 발생되는 트랜스-시스 광 이성질화는 광자 띠 구조의 위치와 밴드폭을 제어할 수 있다. 즉, 콜레스테릭 액정 구조의 내부에 형성된 레이저 공진기는 광학적으로 바꿀 수 있다. 트랜스-시스 이성질화는 가역 과정이므로, 이러한 광학적 제어는 가변 레이저의 응용에서 유용하다. 본 연구에서는 이러한 특성을 이용하여 레이저 발생의 가역적 세부조정과 2차원 레이저 공진기 배열을 구현하였다. 두 번째로 3차원 광자결정 구조의 제작을 위하여 이광자 흡수 비선형 과정을 적용하였다. 이광자 흡수를 통한 광 중합반응을 이용하면 단광자 흡수 과정에서 얻는 결과보다 더 높은 공간 분해능을 갖는 3차원 나노 구조물을 제작할 수 있다. 3차원 나노 구조의 부피 화소 크기는 사용되는 레진의 이광자 흡수 단면적뿐만 아니라 레이저 세기와 초점에서의 빔 허리 크기의 제어를 통해 조절할 수 있다. 이를 위해서 모드 잠금된 Ti: Sapphire 펨토초 레이저와 높은 개구율의 광학 소자를 사용하여 쉽게 조절이 가능하다. 본 연구에서는 완전한 띠 광자 구조를 보여주는 나노 크기를 갖는 3차원 나무적층구조를 제작하였다. 세 번째는 금 나노 입자를 광환원 반응으로 중합체 내부에 형성하였다. 광학 흡수 스펙트럼으로 표면 플라즈몬 공진 여부를 판별할 수 있다. 이를 통해 형성된 금 나노 입자의 크기와 밀도 등을 알 수 있다. 표면 플라즈몬 공진 최대 점의 변화는 제작 인수 즉 UV 조사 시간, 박막의 두께 및 사용한 polyvinyl alcohol의 분자량 등을 조절하여 얻을 수 있다. 에너지 분산 스펙트럼 측정 결과를 통해 금 나노의 광환원 과정의 양을 정량적으로 분석할 수 있었다. 금나노 구조 배열은 음의 굴절률을 가지는 메타 물질로 응용 가능하다. 본 논문에서 연구한 모든 과정은 광학 정보 처리를 위한 새로운 밑그림을 제시하고, 그 응용 연구에 적용될 수 있다.