Jämförelse av det traditionella bulköverföringsläget och de föreslagna pulsbegränsarna i reflektionsläge i nanoskala. (A och B) Konventionella konfigurationer (ej i skala) används ofta för optisk begränsning baserat på Kerr-inducerad självdefokusering (A) och icke-linjär absorption av Kerr-typ (såsom TPA) (B). Det förstnämnda uppnås genom att sätta in ett bulk -Kerr -medium bakom fokalplanet för att påskynda divergensen av en infallande Gauss -stråle med hög intensitet så att endast en bråkdel av strålen tillåts passera genom en tilldelad bländare. Det senare utförs genom att placera ett Kerr-medium i bulk före brännplanet för att absorbera den infallande strålens högintensiva del. Observera att ett inhomogent distribuerat bulk Kerr -medium, som visas i (B), önskas för att maximera den olinjära absorptionen. (C) Nyligen framträdande reflekterande optisk begränsare (ej i skala). För att begränsa högintensitetsöverföringen, istället för att öka absorptionen (B), reflektionen av den reflekterande pulsbegränsaren kommer att förbättras på grund av avresonans över tröskelintensiteten. (D) Schematisk representation av den nanoskala reflekterande optiska begränsaren (ej i skala). Den djupt subvåglånga optiska begränsningsfilmen kan integreras på ytan av en befintlig optisk komponent. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay3456
Under de senaste decennierna har fysiker har utfört djupa laboratorieundersökningar av olinjär optik, plasmafysik och kvantvetenskap med avancerad högintensitet, ultrakortpulslasrar. Ökad användning av tekniken riskerar naturligtvis att skada de optiska detektionssystemen och därför föreslog de en mängd olika optiska begränsningsmekanismer och -anordningar. Enhetsminiatyrisering av sådana konstruktioner med bibehållen överlägsen integritet och kontroll kan, dock, bli komplexa. I en ny rapport, Haoliang Qian och ett forskargrupp inom el- och datateknik, materialvetenskap, kemi och Center for Memory and Recording Research vid University of California, San Diego, USA, beskriver en pulsbegränsare för reflektionsläge. De konstruerade enheten med hjälp av nanoskala eldfasta filmer gjorda av aluminiumoxid och inklämt titanitrid (Al 2 O 3 /TiN/Al 2 O 3 ) för att bygga de metalliska kvantbrunnarna (MQW). Kvantstorlekseffekten av MQW gav stora och ultrasnabba Kerr-typlinjäriteter. Funktionella flerlager som innehåller dessa MQW kommer att hitta nya applikationer inom metaoptik, nanofotonik och olinjär optik, och resultaten publiceras nu den Vetenskapliga framsteg .
En optisk begränsare kan underlätta linjär överföring eller reflektion under en viss infallande ljusintensitet eller effekttröskel, och över den tröskeln, enheten kan hålla den reflekterade optiska effekten på ett avstämbart värde. En lämplig begränsare som är placerad framför en optisk sensor kan skydda sensorn och förlänga dess arbetsområde till förhållanden som är mer extrema än tidigare trott möjligt. Passiva optiska begränsare har en snabb responstid och används i stor utsträckning för att begränsa korta optiska pulser. Enheterna är tillverkade av material med en av följande egenskaper - olinjära optiska egenskaper, inklusive icke -linjär brytning, olinjär absorption eller olinjär spridning. De flesta olinjära processer är baserade på den optiska Kerr-effekten (elektro-optisk funktion), ger upphov till en supersnabb responstid. Forskare studerar därför extraordinära olinjära material av Kerr-typ som ett kritiskt element för nya passiva optiska begränsare för att skydda mot ultrakorte optiska pulser. Kerr-typ passiva optiska begränsare är vanligtvis gjorda av makroskala fasta eller flytande medier. Forskare har ännu inte rapporterat om ett material eller system som ger en tillräckligt stark olinearitet i nanoskala för att underlätta en pulsbegränsande effekt i reflektionsläget.
Spatio-temporal karakterisering av pulser. a, Strålprofil för SHG genererad från den valda ofokuserade nära-IR-strålen. b, Linjebredd av SHG-signaler från en autokorrelator med ett skott. c, Kalibreringskurva för autokorrelatorn med ett skott. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay3456
I det här arbetet, Qian et al. detaljerade en nanoskala Kerr-typ optisk begränsare baserad på det hållbara MQW (metalliska kvantbrunnar) materialsystemet för att generera femtosekundpulser. Enheten innehöll eldfasta material såsom titanitrid (TiN) och aluminiumoxid (Al 2 O 3 ); perfekt för högintensiva olinjära optiska applikationer utvecklade på ett safirunderlag med atomnivånoggrannhet. I installationen, de kvantiserade de fria elektronerna i metallbrunnen (TiN) som ligger mellan den närliggande dielektriska barriären (Al 2 O 3 ). Detta experimentella arrangemang tillät det elektroniska ledningsbandet för den begränsade TiN -nanofilmen att dela upp sig i delband. Teamet noterade att de första fem delbanden låg under Fermi -nivån, ger en mängd elektroniska övergångar. Övergångarna bidrog till den pulsbegränsande effekten via Kerr-olineariteten i MQW-inställningen och påverkade en mängd multiphotonabsorptionsprocesser. De rikliga elektroniska delbanden tillät oöverträffat pulsbegränsande beteende i de nanoskala eldfasta tunna filmerna.
Flera elektroniska delband i kvantstora TiN-filmer som möjliggör utomordentligt höga Kerr-koefficienter. (A) Ledningsbanddiagram över en TiN MQW (vänster) och motsvarande elektronisk spridning av delband (höger). Fermi -nivån EF (~ 4,6 eV) visas som den streckade linjen. De röda pilarna indikerar överföringarna mellan enband mellan delbanden ∣2⟩ och ∣3⟩. (B) Våglängdsberoende av den olinjära optiska konstanten n2 för en 2 nm tjock TiN-film, mätt med z-scan-tekniken med 45 ° -incident p-polariserade laserpulser (100 fs pulsbredd, 1 kHz repetitionsfrekvens; Astrella, Koherent) med intensiteten ~ 70 GW/cm2. Observera att ett minus “ -” används i den imaginära festen på n2. Den röda pilen motsvarar den beräknade övergångsvåglängden som visas i (A), medan de heldragna linjerna är de spline-monterade kurvorna. Fluktuationerna i flera mätningar på olika platser indikeras av felstaplarna (SD). Insats visar ett typiskt transmissionselektronmikroskopi (TEM) tvärsnitt av en TiN MQW tunn film. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay3456
På grund av den plasmoniska effekten av beståndsdelen TiN, metalliska kvantbrunnsprover uppvisade en metalllik hög reflektion vid lågintensitetsbelysning. Under z-scan-mätningar som används för att mäta olinjära optiska egenskaper hos material, laget observerade en upplöst resonant topp i samband med enfotonövergången (Kerr-olinearitet) mellan delband, som överensstämde med den beräknade bandstrukturen. Den föreslagna MQW fungerade som ett dielektrikum under högintensitetsbelysning för att bilda en optisk begränsare i reflektionsläge först i studien, ger en ny grad av frihet att designa ett optimalt optiskt begränsningssystem. Den nanoskala tunna filmen MQW för en femtosekund pulsbegränsare fungerade i reflektionsläget och Qian et al. integrerade den på ytan av en optisk komponent för att förenkla den optiska begränsande konfigurationen. De uppnådde oöverträffad avstämbarhet för enheterna genom att stapla MQW som metamaterial och fick en mångsidig nanoskala pulsbegränsare; ett avgörande element för att designa kompakta optiska och fotoniska system.
Experimentell demonstration av reflektionsläget nanoskala femtosekundpulsbegränsare med användning av TiN-baserade MQW:er. (A) Experimentell konfiguration av reflektionsläget pulsbegränsare (inte i skala). Dämparen används för att variera infallskraften för att erhålla pulsbegränsande kurvor. (B) Typiskt TEM-tvärsnitt av en 7-enhet MQW tunn film. Skiktet ovanpå MQW:erna är ett skyddsskikt som endast används för TEM -tvärsnittsförberedelse under den fokuserade jonstrålens skärprocess. (C) Intensitetsberoende för den uppmätta reflekterade effekten för prover med en enda enhet och 7 enheter MQW vid våglängden 1997 nm (100-fs pulsbredd, 1 kHz repetitionsfrekvens, 130 μm strålradie, 45 ° förekomst, och p -polarisering). De streckade linjerna visar motsvarande linjära reflektionskurvor. Begränsningsintensiteten för jon definieras i huvudtexten. Insatserna visar ett inzoomat TEM-tvärsnitt av den tunna filmen med 7 enheter MQW (vänster) och en mörkfält med hög upplösning TEM-bild (höger) som visar den höga kvaliteten på den odlade flerskikten. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay3456
På grund av metamaterialaktiverad konstruktion gav tjockleken på nanoskala MQW-filmer extraordinär justerbarhet av pulsbegränsande prestanda jämfört med konventionella bulkoptiska begränsare. Ytterligare experiment avslöjade för det starka Kerr-svaret hos MQW:er som härrör från enfotonövergången mellan specifika delband. På grund av en-fotonabsorption (1PA) och två-fotonabsorption (TPA) -processer, fria elektroner ovanför Fermihavet kunde kontinuerligt marknadsföras i installationen. Baserat på resultaten, Qian et al. tror att de observerade multipla interbandsövergångarna och deras bredbands Kerr-effekt i MQW-system har liknande pulsbegränsande effekter i de nära infraröda (NIR) våglängderna.
Fysik för optiska Kerr -olineariteter hos MQW:erna. (A och B) Intensitetsberoende brytningsindex nI extraherat från den experimentellt uppmätta reflektiviteten och transmissiviteten ["exp" i (A)] och utrustad med enkelfotonabsorption (1PA) och tvåfotonabsorption (TPA) mättnadsmodeller [ "Passar" i (B)]. Insats av (B) visar diagram som representerar Kerr, 1PA, och TPA -processer, respektive. Provet som används har 7 enheter MQW, och data tas vid våglängden 1997 nm. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay3456
På det här sättet, Haoliang Qian och kollegor visade en femtosekund pulsbegränsande tunn film med reflexionsläge för första gången i denna studie. De underlättade installationen med hjälp av stora och ultrasnabba optiska Kerr -olineariteter för de inbäddade MQW:erna. Teamet krediterade det aldrig tidigare skådade, intensitetsberoende Kerr-olineariteter till elektronunderband i MQW. Arbetet ger en ny mekanism för att konstruera extraordinära optiska olineariteter och nya applikationer med alternativ för ytterligare avstämning av icke -optisk begränsning och tillämpningar inom olinjär optik och integrerad fotonik.
© 2020 Science X Network
