Ultrahurtig laserpuls skabt af gyldne nanopartikler

En ny undersøgelse viser, at organisk farvestof kombineret med metalliske nanostrukturer kan give ultrahurtig laserdynamik med korte og hurtigt optrædende laserimpulser.

"Vi ønskede at finde ud af, hvor hurtigt vi kan tænde og slukke vores laserenhed. At generere laserimpulser hurtigt kan være meget nyttigt i informationsbehandling og kan forbedre responsen af ​​nogle optoelektroniske enheder, " forklarer postdoc-forsker Konstantinos Daskalakis ved Aalto Universitet.

Prøverne brugt i eksperimenterne er lavet af guld nanopartikler placeret på glas og nedsænket i en organisk, lysemitterende materiale. Nanopartiklerne er arrangeret meget tæt på hinanden i et kvadratisk array. Elektriske felter lokaliseret omkring partiklerne resulterer i høje feltstyrker, der fremskynder den molekylære dynamik i det organiske farvestof.

De elektromagnetiske felter og de ledende guldpartikler interagerer både med hinanden og det organiske farvestof for at generere en retningsbestemt laserimpuls, der er ultrahurtig, en trilliontedel af et sekund lang.

Generering af en laser af denne art er lovende for al-optisk switching og sensing og vil potentielt forbedre hastigheden af ​​optisk telekommunikation og ydeevnen af ​​enheder, der bruger lys til at behandle information, såsom kameraer og transistorer.

Meget små nanolasere giver normalt ikke klare retningsbestemte stråler. Arrangering af nanopartikler i et array forbedrer retningsbestemtheden betydeligt. Sådanne lasere er allerede blevet skabt i flere laboratorier i verden, men deres potentiale for ultrahurtige pulser er ikke blevet bevist før eksperimenterne udført på Aalto Universitetet.

Måling af pulsernes egenskaber er meget krævende på grund af deres enorme hastighed.

"Den vigtigste præstation her er, at det er lykkedes os eksperimentelt at demonstrere, at laserimpulserne faktisk er ultrahurtige. Lasingen sker i optiske tilstande, der er hybrider af lys og elektronernes bevægelse i metal. Disse tilstande kaldes overfladegitterresonanser, " forklarer Akademiprofessor Päivi Törmä.

Laserlyset presses først af de metalliske nanopartikler til sub-bølgelængde dimensioner, og så slipper den ud af overfladegitterets resonanstilstande som en picosekund-hurtig, koncentreret laserpuls.

"Denne slags metal nanopartikel array lasere er fremragende til at generere pulserende laserstråling med en høj modulationshastighed, " siger doktorand Aaro Väkeväinen.

Den puls, der genereres fra nanopartikel-array-laseren, er så hurtig, at der ikke er nogen konventionelle elektroniske kameraer, der kan fange dens dynamik. Forskerne brugte en anden laser som et "kamera, " tager meget hurtige billeder af den lille laser. Metoden kaldes pumpe-probe spektroskopi.