Mættelige plasmoniske metaoverflader til låsning af lasertilstand

Plasmoniske metasurfaces er kunstige 2D-ark af plasmoniske enhedsceller, der gentages i et subbølgelængdearray, som giver anledning til uventede bølgeegenskaber, som ikke findes i naturen. I det lineære regime, deres anvendelser i bølgefrontmanipulation til linse, holografi eller polarisationskontrol er blevet intensivt undersøgt. Imidlertid, applikationer i det ikke-lineære regime er sjældent blevet rapporteret. I betragtning af den voksende efterspørgsel efter mættede absorbere - en særlig klasse af ikke-lineære enheder, hvor gennemsigtighed (eller absorption) afhænger af lysintensiteten - til ultrahurtige lasere og neuromorfe kredsløb, videnskabsmænd fra Frankrig, Kina og Brasilien har udviklet plasmoniske metaoverflader, der giver en bemærkelsesværdig effektiv mættelig absorption, som kan indstilles med lysets polarisering.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , videnskabsmænd fra Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, ved Université Bourgogne— Franche-Comté, Frankrig; fra nøglelaboratoriet for 3-D mikro/nano-fremstilling og karakterisering af Zhejiang-provinsen, Ingeniørskolen, Westlake University, Kina; og medarbejdere fra Institut for Elektroteknologi, Bahia føderale institut, Brasilien, brugte plane nanoteknologier til at fremstille 2-D plasmoniske metaoverflader med den præcise størrelse, spalte og orientering og dermed velkontrolleret plasmonisk tilstand, som kemisk syntetiserede modparter næsten ikke håndterer. Den ikke-lineære mættelige absorption under intens laserpumpning blev systematisk undersøgt ved at ændre excitationskraften, polariseringen og de geometriske parametre for de plasmoniske metasflader. Forbindelsen mellem den polarimetriske mættede absorption og det plasmoniske landskab af metasfladerne er blevet kvantificeret. Mere interessant, forskerne implementerede de mættende metasurfaces i en fiberlaserhulrumsarkitektur og opnåede en stabil selvstartende ultrakort laserpulsgenerering.

De undersøgte forskellige plasmoniske landskaber såsom nanorods, nanokryds og nanoreringer som mættende absorbere til at generere ultrahurtige laserimpulser. Bemærkelsesværdigt, de målte modulationsdybden af ​​den mættede absorption af sådanne plasmoniske metaoverflader så højt som 60%. "Så store modulationsdybder er ualmindelige, især for tynde metaoverflader:en sammenligning mellem 2-D-mættelige absorbere viser, at den maksimale rapporterede modulationsdybde er mindre end 11 %, og en lignende undersøgelse med kolloid guld nanorods rapporterer en moduleringsdybde på kun omkring 5%. Et typisk SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) kan have en modulationsdybde på over 30 %, men fra en meget tykkere enhed, " sagde prof. Grelu.

"Nøglepunktet er at finde det kvantitative forhold mellem den ikke-lineære absorption og de specifikke plasmoniske tilstande, og dette kan kun opnås ved at bruge plane nanoteknologier til at fremstille de plasmoniske metaoverflader, e. g. elektronstrålelitografi, i stedet for blot at spin-coating de kolloide nanopartikler på fiberen eller dyppe fiberen i nanopartikelopløsningerne, " sagde Dr. Cluzel.

Ved at integrere de plasmoniske metaoverflader i en frirumssektion af fiberlaserarkitekturen, forskerne opnåede endelig en stabil selvstartende tilstandslåst laseroperation. Den typiske varighed af en enkelt soliton-puls er 729 fs, med et stort signal-til-støj-forhold på 75 dB i radiofrekvensdomænet.

"Vi validerede mættelig absorption som en generel ikke-lineær optisk egenskab af metal nanostrukturer, et velkendt fænomen for halvledere. Vigtigere, vi demonstrerede en lovende applikation til ikke-lineær plasmonik, en metode, de fleste relaterede undersøgelser lagde lidt vægt på, " tilføjede Dr. Jiyong Wang.