Chiralt metamateriale producerer rekordoptisk skift under inkrementel effektmodulering

Georgia Institute of Technology-forskere har demonstreret et optisk metamateriale, hvis chiroptiske egenskaber i det ikke-lineære regime producerer et betydeligt spektralskifte med effektniveauer i milliwatt-området.

Forskerne demonstrerede for nylig egenskaber af deres chirale metamateriale, hvor de spektralt modificerede to absorberende resonanser ved gradvist at udsætte materialet for effektintensiteter ud over dets lineære optiske regime. Med en ændring på 15 milliwatt i excitationseffekt, de målte et spektralskift på 10 nanometer i materialets transmissionsresonanser og en 14-graders polarisationsrotation.

Forskerne mener, at det kan være den stærkeste ikke-lineære optiske rotation, der nogensinde er rapporteret for et chiralt metamateriale, og er omkring hundrede tusinde gange større end den nuværende rekordmåling for denne type struktur. Forskningen, støttet af National Science Foundation og Air Force Research Laboratory, blev rapporteret 27. februar i bladet Naturkommunikation .

"Nanoskala chirale strukturer tilbyder en tilgang til modulering af optiske signaler med relativt små variationer i indgangseffekt, " sagde Sean Rodrigues, en ph.d. kandidat, der ledede forskningen i laboratoriet hos lektor Wenshan Cai i Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. "At se denne form for ændring i et så tyndt materiale gør kirotiske metamaterialer til en interessant ny platform for optisk signalmodulation."

Denne modulering af kirotiske reaktioner fra metamaterialer ved at manipulere inputeffekt giver potentialet for nye typer aktiv optik, såsom al-optisk switching og lysmodulation. Teknologierne kunne have applikationer inden for områder som databehandling, sansning og kommunikation.

Chirale materialer udviser optiske egenskaber, der adskiller sig afhængigt af deres modsatte cirkulære polariseringer. Forskellene mellem disse svar, som er skabt af mønstre i nanoskala af absorberende materialer, kan bruges til at skabe store kirotiske resonanser. For at være nyttig i applikationer såsom optisk switching, disse resonanser ville skulle induceres af ekstern tuning - såsom variationer i effektinput.

"Når du øger kraften, du skifter spektret, " sagde Rodrigues. "I virkeligheden, du ændrer transmissionen ved bestemte bølgelængder, hvilket betyder, at du ændrer mængden af ​​lys, der passerer gennem prøven ved blot at ændre inputeffekten." For optiske ingeniører, det kunne være grundlaget for et skifte.

Materialet demonstreret af Cai's laboratorium er lavet af nanomønstrede lag af sølv - cirka 33 nanometer tykke - på glasunderlag. Mellem de omhyggeligt designede sølvlag er et 45 nanometer lag af dielektrisk materiale. Et elliptisk mønster skabes ved hjælp af elektronstrålelitografi, derefter er hele strukturen indkapslet i et dielektrisk materiale for at forhindre oxidation.

"Det er konstruktionen af ​​disse strukturer, der giver os disse chirale optiske egenskaber, Rodrigues forklarede. "Målet er virkelig at drage fordel af uoverensstemmelsen mellem en cirkulær polarisering i forhold til den anden for at skabe de bredbåndsresonanser, vi har brug for."

Materialet fungerer i det synlige til nær-infrarøde spektrum, ved cirka 740 til 1, 000 nanometer. Målinger af optisk rotation og cirkulær dikroisme blev taget med strålen ind i materialet i en normal indfaldsvinkel.

Forskerne inducerede ændringen i cirkulær dikroisme ved at øge den optiske effekt på materialet fra 0,5 milliwatt op til 15 milliwatt. Selvom det er forholdsvis lav effekt for et lasersystem, den har en høj nok energiflux (energioverførsel i tid) til at sætte gang i forandring.

"Strålestørrelsen er omkring 40 mikron, så det er virkelig fokuseret, " sagde Rodrigues. "Vi lægger en masse energi i et lille område, hvilket får effekten til at være ret intens."

Forskerne ved endnu ikke, hvad der foranlediger ændringen, men har mistanke om, at termiske processer kan være involveret i at ændre materialets egenskaber for at øge den cirkulære dikroisme. Test viser, at strømapplikationerne ikke beskadiger metamaterialet.

Cais laboratorium har studeret chirale materialer af forskellig art til en række optiske applikationer. I juni 2015 de rapporterede realiseringen af ​​en af ​​de langvarige teoretiske forudsigelser i ikke-lineære optiske metamaterialer:skabelse af et ikke-lineært materiale, der har modsatte brydningsindekser ved lysets fundamentale og harmoniske frekvenser. Sådan et materiale, som ikke eksisterer naturligt, havde været forudsagt i næsten et årti.