Plasmoniska metasytor är artificiella 2D-ark av plasmoniska enhetsceller som upprepas i en subvåglängdsmatris, som ger upphov till oväntade vågegenskaper som inte finns i naturen. I den linjära regimen, deras tillämpningar i vågfrontsmanipulation för linser, holografi eller polarisationskontroll har studerats intensivt. Dock, tillämpningar i den icke-linjära regimen har sällan rapporterats. Med tanke på den växande efterfrågan på mättningsbara absorbatorer – en speciell klass av icke-linjära enheter där transparens (eller absorption) beror på ljusintensiteten – för ultrasnabba lasrar och neuromorfa kretsar, forskare från Frankrike, Kina och Brasilien har utvecklat plasmoniska metasytor som ger en anmärkningsvärt effektiv mättningsbar absorption som kan ställas in med ljusets polarisering.

I en ny tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , forskare från Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, vid Université Bourgogne— Franche-Comté, Frankrike; från Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang-provinsen, Ingenjörshögskolan, Westlake University, Kina; och medarbetare från institutionen för elektroteknik, Bahias federala institut, Brasilien, använt plan nanoteknik för att tillverka 2D plasmoniska metasytor med den exakta storleken, gap och orientering och därmed välkontrollerat plasmoniskt läge som kemiskt syntetiserade motsvarigheter knappt hanterar. Den olinjära mättningsbara absorptionen under intensiv laserpumpning undersöktes systematiskt genom att ändra excitationskraften, polarisationen och de geometriska parametrarna för de plasmoniska metasytorna. Kopplingen mellan den polarimetriska mättbara absorptionen och metasytornas plasmoniska landskap har kvantifierats. Mer intressant, forskarna implementerade de mättbara metasytorna i en fiberlaserhålighetsarkitektur och uppnådde en stabil självstartande ultrakort laserpulsgenerering.

De undersökte olika plasmoniska landskap som nanorods, nanokorsningar och nanorering som mättningsbara absorbatorer för att generera ultrasnabba laserpulser. Anmärkningsvärt, de mätte moduleringsdjupet för den mättbara absorptionen av sådana plasmoniska metasytor så högt som 60%. "Så höga moduleringsdjup är ovanliga, speciellt för tunna metasytor:en jämförelse mellan 2-D-mättbara absorbatorer visar att det maximala rapporterade moduleringsdjupet är mindre än 11 ​​%, och en liknande studie med kolloidala guld nanorods rapporterar ett moduleringsdjup på endast cirka 5%. En typisk SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) kan ha ett moduleringsdjup som överstiger 30 %, men från en mycket tjockare enhet, " sa prof. Grelu.

"Nyckelpunkten är att hitta det kvantitativa förhållandet mellan den olinjära absorptionen och de specifika plasmoniska lägena och detta kan bara uppnås genom att använda plan nanoteknologi för att tillverka de plasmoniska metasytorna, e. g. elektronstrålelitografi, snarare än att bara spinnbelägga de kolloidala nanopartiklarna på fibern eller doppa fibern i nanopartikellösningarna, " sa Dr Cluzel.

Genom att integrera de plasmoniska metasytorna i ett fritt utrymmessektion av fiberlaserarkitekturen, forskarna fick äntligen en stabil självstartande lägeslåst laseroperation. Den typiska varaktigheten för en enda solitonpuls är 729 fs, med ett stort signal-brusförhållande på 75 dB i radiofrekvensdomänen.

"Vi validerade mättbar absorption som en allmän olinjär optisk egenskap hos metallnanostrukturer, ett välkänt fenomen för halvledare. Mer viktigt, vi visade en lovande applikation för icke-linjär plasmonik, en metod som de flesta relaterade studier ägnade lite uppmärksamhet åt, ", tillade Dr Jiyong Wang.