Femtosecond laser microfabrication of photonic structures in transparent materials for quantum information and field sensing

Quantum technologies are one of the most promising fields of physics and engineering, with revolutionary applications in many areas ranging from computer science to biology. The key component is a system from which a quantum mechanical parameter can be initialized, manipulated and read out. Recently, the Nitrogen-Vacancy (NV) defect in diamond has emerged as a suitable candidate for these applications, thanks to its ability to be optically excited, manipulated and read out, together with an exceptionally long electron spin coherence time at room temperature. Femtosecond laser writing, followed by thermal annealing at high temperatures, has been shown to create NV centers in the bulk of diamond with impressive accuracy and without damaging the surrounding lattice. Waveguides can be fabricated with the same technique to drive the excitation light to the defects and improve the coupling efficiency for the emitted photoluminescence. It is thus possible to laser write integrated waveguide - NV devices which pave the way for more sophisticated quantum photonic networks in diamond, exploiting optically linked NVs as single photon sources, solid state qubits and spin-based sensors. In general, femtosecond laser micromachining can be used for optical waveguiding and quantum applications in a wide range of materials. The aim of this thesis has been to use femtosecond laser micromachining to laser write 3D photonic networks in transparent materials for quantum optics applications. In particular, this work focuses on the results obtained in two different materials: a synthetic diamond sample, in which waveguides and single exposures were laser-written to obtain NV centers and light guiding; a YAG sample, in which waveguides were fabricated with different combinations of the writing parameters. The characterization of the fabricated structures was performed in the laboratories of Politecnico di Milano. Thanks to the cooperation with other groups, the diamond sample was also subjected to thermal annealing and photoluminescence measurements.

Le tecnologie quantistiche sono uno dei più promettenti campi della fisica e dell’ingegneria, con applicazioni rivoluzionarie in molte aree che spaziano dall’informatica alle telecomunicazioni e alla biologia. Il componente chiave è un sistema per il quale un parametro quantistico può essere inizializzato, manipolato e letto. Recentemente, un difetto nei reticoli di diamante chiamato “NV center” (dall’inglese “nitrogen-vacancy center”, ossia “difetto elettrone-lacuna”) è risultato un candidato opportuno per queste applicazioni, grazie alla possibilità di eccitarlo, manipolarlo e leggerlo otticamente anche a temperatura ambiente. È stato dimostrato che la tecnica di scrittura con laser a femtosecondi, seguita da un trattamento ad alta temperatura, è in grado di creare NV center in campioni di diamante con un’incredibile precisione e senza danneggiare il reticolo circostante. Inoltre, per eccitare questi difetti e raccogliere la loro fotoluminescenza, possono essere fabbricate guide d’onda sempre utilizzando la scrittura con laser a femtosecondi, realizzando così dispositivi integrati che aprono la strada alla realizzazione di reti fotoniche quantistiche più complesse, nelle quali singoli NV center collegati otticamente fungono da emettitori di singolo fotone o da qubits, o vengono usati come sensori di campo elettrico e magnetico. La scrittura con laser a femtosecondi può quindi essere impiegata per realizzare reti fotoniche tridimensionali in molti materiali trasparenti per applicazioni di ottica quantistica. In particolare, questo lavoro si concentra sui risultati ottenuti in due materiali: un campione di diamante sintetico, nel quale sono state realizzate guide d’onda e singole esposizioni per la formazione di NV center; un campione di granato di ittrio e alluminio (YAG), nel quale sono state realizzate guide d’onda con diverse combinazioni dei parametri di scrittura. La caratterizzazione delle strutture è stata realizzata nei laboratori del Politecnico di Milano. Grazie alla collaborazione con gruppi esterni, il campione di diamante è stato anche sottoposto a un trattamento ad alta temperatura e a misure di fotoluminescenza.