Laserpuls skaber frekvensfordobling i amorft dielektrisk materiale

Forskere har demonstreret en ny helt optisk teknik til at skabe robuste andenordens ikke-lineære effekter i materialer, der normalt ikke understøtter dem. Ved hjælp af en laserpuls affyret mod en række guldtrekanter på en titaniumdioxid (TiO) ₂ ) plade, forskerne skabte ophidsede elektroner, der kortvarigt fordoblede frekvensen af ​​en stråle fra en anden laser, da den hoppede af det amorfe TiO ₂ plade.

Ved at udvide rækken af ​​optiske materialer, der er nyttige til mikro- og nanoskala optoelektroniske applikationer, arbejdet kunne give optiske ingeniører nye muligheder for at skabe andenordens ikke-lineære effekter, som er vigtige inden for områder som optiske computere, højhastighedsdataprocessorer og bioimaging sikker til brug i den menneskelige krop.

"Nu hvor vi optisk kan bryde den krystallinske symmetri af traditionelt lineære materialer såsom amorft titaniumdioxid, et meget bredere udvalg af optiske materialer kan anvendes i mainstream af mikro- og nanoteknologiske applikationer såsom højhastigheds optiske dataprocessorer, " sagde Wenshan Cai, en professor ved School of Electrical and Computer Engineering ved Georgia Institute of Technology.

Bevis-of-concept-resultaterne blev rapporteret 2. januar i journalen Fysisk gennemgangsbreve . Forskningen modtog støtte fra Office of Naval Research, National Science Foundation, og US Department of Energy Office of Science.

Et flertal af optiske materialer har en tendens til at have en symmetrisk krystalstruktur, der begrænser deres evne til at skabe anden-ordens ikke-lineære effekter såsom frekvensfordobling, der har vigtige teknologiske anvendelser. Indtil nu, denne symmetri kunne kun afbrydes ved at påføre elektriske signaler eller mekanisk belastning på krystallen.

I laboratoriet, Cai og samarbejdspartnere Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee og Tianquan Lian skabte en række små plasmoniske guldtrekanter på overfladen af ​​et centrosymmetrisk TiO ₂ plade. De belyste derefter TiO2/guld-strukturen med en puls af rødt laserlys, som fungerede som en optisk kontakt til at bryde materialets krystalsymmetri. Det amorfe TiO ₂ plade ville ikke naturligt understøtte stærke andenordens ikke-lineære effekter.

"Den optiske kontakt exciterer højenergielektroner inde i guldtrekanterne, og nogle af elektronerne migrerer til titandioxidet fra trekanternes spidser, " Cai forklarede. "Siden migrationen af ​​elektroner til TiO ₂ plade sker primært i spidsen af ​​trekanter, elektronmigration er rumligt en asymmetrisk proces, flygtigt bryde titaniumdioxid krystal symmetri på en optisk måde."

Den inducerede symmetribrudseffekt observeres næsten øjeblikkeligt efter at den røde laserimpuls er udløst, fordobling af frekvensen af ​​en anden laser, der derefter bliver kastet af titandioxidet, der indeholder de exciterede elektroner. Levetiden for den inducerede andenordens ikke-linearitet afhænger generelt af, hvor hurtigt elektroner kan migrere tilbage fra titandioxidet til guldtrekanterne efter pulsens forsvinden. I casestudiet rapporteret af forskerne, den inducerede ikke-lineære effekt varede i nogle få picosekunder, hvilket forskerne siger er nok til de fleste applikationer, hvor der bruges korte pulser. En stabil kontinuerlig bølgelaser kan få denne effekt til at vare så længe laseren er tændt.

"Styrken af ​​den inducerede ikke-lineære respons afhænger stærkt af antallet af elektroner, der kan migrere fra guldtrekanter til titaniumdioxidpladen, " Cai tilføjede. "Vi kan kontrollere antallet af migrerede elektroner gennem intensiteten af ​​det røde laserlys. Forøgelse af intensiteten af ​​den optiske kontakt genererer flere elektroner inde i guldtrekanterne, og sender derfor flere elektroner ind i TiO ₂ plade."

Yderligere forskning vil være nødvendig for at bygge videre på proof of concept, som for første gang viste, at centrosymmetriske materialers krystalsymmetri kan brydes med optiske midler, via asymmetriske elektronmigrationer.

"For at nærme sig de praktiske kriterier, der er detaljeret om essensen af ​​vores teknik, vi mangler stadig at udvikle retningslinjer, der fortæller os, hvilken kombination af metal/halvledermateriale platform der skal bruges, hvilken form og dimension ville maksimere styrken af ​​den inducerede andenordens ikke-lineære effekt, og hvilket område af laserbølgelængde der skal bruges til at skifte lys, " bemærkede Cai.

Frekvensfordobling er blot en potentiel anvendelse for teknikken, han sagde.

"Vi mener, at vores resultater ikke kun giver forskellige muligheder inden for ikke-lineær nanofotonik, men vil også spille en stor rolle inden for kvanteelektrontunneling, " tilføjede Cai. "Virkelig, bygget på den akkumulerede viden på dette område, vores gruppe er ved at udtænke nye paradigmer for at anvende den introducerede symmetribrudsteknik som en optisk sonde til at overvåge kvantetunneleringen af ​​elektroner i hybridmaterialeplatforme. I dag, at nå dette udfordrende mål er kun muligt med scanning tunneling microscopy (STM) teknikker, som er meget langsomme og viser lavt udbytte og følsomhed."