Figura 1.
(a) Esquemas de un proceso litográfico típico para micro y nanopatrones de las metasuperficies EOT, que consta de varios pasos de fabricación. De izquierda a derecha: tras depositar una fina película de metal, se recubre por rotación una capa fotosensible en la parte superior de la superficie y se expone a litografía de fotones o electrones para modificar la solubilidad de las regiones expuestas. Luego, dichas regiones se eliminan empleando un revelador, seguido de un proceso de grabado húmedo o seco para eliminar el material de las regiones expuestas. El proceso finaliza eliminando los restos de material fotosensible y residuos químicos, típicamente en acetona.
( b ) Rutina de fabricación alternativa propuesta en este trabajo, que consiste en ablación láser directa mediante escaneo de la superficie con láseres pulsados y ultrarrápidos.
(c) Vista macroscópica de una de las muestras procesadas, mostrando seis áreas de 4 mm2 procesadas por láser. Los recuadros muestran una imagen de microscopio óptico y microscopía electrónica de barrido (SEM), confirmando las características geométricas micrométricas esperadas.

Con esta técnica se fabricaron, en tan solo unos minutos y empleando un láser pulsado en películas de oro de 40 nm de espesor, matrices con microagujeros con un área de 4 mm², que actúan como metasuperficies de transmisión extraordinaria.

Con ello demostraron cómo, al modificar solo tres parámetros de la etapa de fabricación (esto es: la energía del pulso láser, la velocidad de pasada del láser y la rendija de formación del haz), pudieron controlar tanto el período Λ, como el diámetro o la elipticidad de los microagujeros, y por tanto las características ópticas del llamado efecto de transmisión extraordinaria de las resonancias.

Comparando el funcionamiento de las metasuperficies fabricadas con su rendimiento teórico se demostró que todos los dispositivos fabricados se comportaron como se esperaba, lo que confirma el alto rendimiento, la flexibilidad y la fiabilidad del método de fabricación propuesto.

Estos hallazgos podrían suponer la base para la producción industrial en masa de metasuperficies EOT, así como el nacimiento de nuevas ramas de investigación hacia la fabricación láser de metasuperficies con funcionalidades alternativas, y en un solo paso.

¿Qué son las metasuperficies?

Las metasuperficies consisten en distribuciones bidimensionales de bloques de construcción cuyos tamaños y periodicidad son inferiores a la longitud de onda. Estas pueden diseñarse para modificar las propiedades de la luz que incide sobre ellas a voluntad. A diferencia de la óptica convencional, la capacidad de manipular la luz que ofrecen las metasuperficies no se basa en efectos de propagación, sino que proviene de discontinuidades abruptas de amplitud y fase impuestas a un haz de luz incidente, y producidas por resonancias colectivas y/o localizadas causadas por los bloques que componen la metasuperficie.
Estas matrices de bloques se pueden diseñar específicamente para imitar e incluso superar las capacidades de los dispositivos ópticos clásicos, con la ventaja adicional de ser ligeras, compactas y por tanto fácilmente integrables.

Dentro de la gama de posibles funcionalidades que ofrecen estas matrices bidimensionales, las metasuperficies plasmónicas basadas en el efecto de transmisión óptica extraordinaria (EOT) han atraído mucha atención en los últimos años, ya que se espera que dichos dispositivos desempeñen un papel importante por ejemplo en la generación de dispositivos compactos para detección biológica o química, generación de color estructural o imagen multiespectral.

¿Qué es el fenómeno de transmisión óptica extraordinaria (EOT)?

El fenómeno EOT consiste en que una banda de frecuencia de la luz específica se transmite a través de una matriz (la metasuperficie) formada por aperturas periódicas sublongitud de onda en una lámina (ópticamente) delgada. En particular, los picos de alta transmisión aparecen cerca de la llamada primera anomalía de Wood, es decir, en la frontera situada entre los regímenes ópticos difractivo y subdifractivo. La causa de este fenómeno ha sido estudiada en detalle en los últimos años y se atribuye al acoplo de resonancias propias de aperturas aisladas, combinadas con sistemas de red periódicos.
Por lo tanto, la cantidad de transmisión, el ancho de banda y la posición espectral del efecto EOT pueden controlarse a voluntad ajustando tanto los parámetros geométricos (es decir, el tamaño, la forma y la periodicidad de la apertura), como el material y espesor de la película delgada así como su sustrato.

Procesamiento láser ultrarápido

Estas metasuperficies se han producido gracias al procesado láser ultrarrápido (ULP). Podría decirse que esta técnica es una de las rutas más prometedoras hacia la producción limpia y a gran escala de dispositivos formados por nano y micropatrones, ya que como hemos dicho se basa en procedimientos de un solo paso que pueden prescindir de máscaras de polímero y contaminantes, así como de salas blancas. Empleando pulsos láser de subpicosegundos, se puede reducir la energía del pulso requerida para desencadenar la ablación mientras se logran contornos nítidos en una amplia variedad de materiales incluso los blandos y quebradizos.