Nanoskala optisk pulsbegrænser lettet af ildfaste metalliske kvantebrønde

I de sidste mange årtier, fysikere har udført dybe laboratorieundersøgelser af ikke-lineær optik, plasmafysik og kvantevidenskab ved hjælp af avanceret høj intensitet, ultrakorte puls lasere. Øget brug af teknologien risikerede naturligvis at beskadige de optiske detektionssystemer, og derfor foreslog de en række optiske begrænsende mekanismer og enheder. Enhedsminiaturisering af sådanne designs og samtidig opretholde overlegen integrerbarhed og kontrol kan, imidlertid, blive kompleks. I en ny rapport, Haoliang Qian og et forskerhold inden for elektro- og computerteknik, materialevidenskab, kemi og Center for Memory and Recording Research ved University of California, San Diego, OS., detaljerede en reflektionstilstand pulsbegrænser. De konstruerede enheden ved hjælp af ildfaste film i nanoskala lavet af aluminiumoxid og indlejret titaniumnitrid (Al ₂ O ₃ /TiN/Al ₂ O ₃ ) til at bygge de metalliske kvantebrønde (MQW'er). Kvantestørrelseseffekten af ​​MQW gav store og ultrahurtige ikke-lineariteter af Kerr-typen. Funktionelle flerlag, der indeholder disse MQW'er, vil finde nye applikationer inden for meta-optik, nanofotonik og ikke-lineær optik, og resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

En optisk begrænser kan lette lineær transmission eller refleksion under en vis indfaldende lysintensitet eller effekttærskel, og over denne tærskel, enheden kan holde den reflekterede optiske effekt på en justerbar værdi. En passende begrænser placeret foran en optisk sensor kan beskytte sensoren og udvide dens arbejdsområde til forhold mere ekstreme end tidligere antaget muligt. Passive optiske begrænsere har en hurtig responstid og er i vid udstrækning til at begrænse korte optiske impulser. Enhederne er lavet af materialer med en af ​​følgende egenskaber - ikke-lineære optiske egenskaber, inklusive ikke-lineær brydning, ikke-lineær absorption eller ikke-lineær spredning. De fleste ikke-lineære processer er baseret på den optiske Kerr-effekt (elektro-optisk funktion), giver anledning til en ultrahurtig responstid. Forskere studerer derfor ekstraordinære ikke-lineære materialer af Kerr-typen som et kritisk element for nye passive optiske begrænsere for at beskytte mod ultrakorte optiske impulser. Kerr-type passive optiske begrænsere er generelt lavet af faste eller flydende medier i makroskala. Forskere mangler endnu at rapportere om et materiale eller system, der giver en stærk nok ikke-linearitet i nanoskalaen for at lette en refleksionstilstands pulsbegrænsende effekt.

I dette arbejde, Qian et al. detaljerede en nanoskala Kerr-type optisk begrænser baseret på det holdbare MQW (metalliske kvantebrønde) materialesystem til at generere femtosekund-impulser. Enheden indeholdt ildfaste materialer såsom titaniumnitrid (TiN) og aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ); ideel til ikke-lineære optiske applikationer med høj intensitet udviklet på et safirsubstrat med nøjagtighed på atomniveau. I opsætningen de kvantificerede de frie elektroner i den metalliske brønd (TiN) klemt mellem den nærliggende dielektriske barriere (Al ₂ O ₃ ). Dette eksperimentelle arrangement tillod det elektroniske ledningsbånd af den begrænsede TiN nanofilm at opdeles i underbånd. Holdet bemærkede, at de første fem underbånd var under Fermi-niveauet, giver et væld af elektroniske overgange. Overgangene bidrog til den pulsbegrænsende effekt via Kerr-ulineariteten af ​​MQW-opsætningen og påvirkede en række multifotonabsorptionsprocesser. De rigelige elektroniske underbånd tillod hidtil uset pulsbegrænsende adfærd i de ildfaste tynde film i nanoskala.

På grund af den plasmoniske virkning af bestanddelen TiN, metalliske kvantebrøndprøver udviste en metallignende høj refleksion ved lav-intensitetsbelysning. Under z-scan målinger bruges til at måle ikke-lineære optiske egenskaber af materialer, holdet observerede en løst resonant top i forbindelse med enkelt-foton overgangen (Kerr ikke-linearitet) mellem underbånd, som stemte overens med den beregnede båndstruktur. Den foreslåede MQW fungerede som et dielektrikum under højintensitetsbelysning for at danne en første-i-studie optisk reflektionstilstandsbegrænser, giver en ny grad af frihed til at designe et optimalt optisk begrænsningssystem. Den tynde film MQW i nanoskala for en femtosekunds pulsbegrænser fungerede i reflektionstilstanden og Qian et al. integreret det på overfladen af ​​en optisk komponent for at forenkle den optiske begrænsende konfiguration. De opnåede hidtil uset tunerbarhed for enhederne ved at stable MQW'er som metamaterialer og opnåede en alsidig nanoskala pulsbegrænser; et afgørende element for at designe kompakte optiske og fotoniske systemer.

På grund af metamateriale-aktiveret konstruktion gav tykkelsen af ​​MQW-filmene i nanoskala en ekstraordinær afstemning af pulsbegrænsende ydeevne sammenlignet med konventionelle optiske bulk-begrænsere. Yderligere eksperimenter viste, at det stærke Kerr-respons fra MQW'er stammer fra enkeltfotonovergangen mellem specifikke underbånd. På grund af processer med enkeltfotonabsorption (1PA) og to-fotonabsorption (TPA), frie elektroner over Fermihavet kunne løbende fremmes i opsætningen. Baseret på resultaterne, Qian et al. mener, at de observerede multiple inter-subband overgange og deres bredbånds Kerr-effekt i MQW-systemer har lignende pulsbegrænsende effekter i de nær-infrarøde (NIR) bølgelængder.

På denne måde Haoliang Qian og kolleger demonstrerede en nanoskala refleksionstilstand femtosekund pulsbegrænsende tynd film lavet af ildfaste materialer for første gang i denne undersøgelse. De lettede opsætningen ved hjælp af store og ultrahurtige optiske Kerr-ulineariteter af de indlejrede MQW'er. Holdet krediterede det hidtil usete, intensitetsafhængige Kerr-ulineariteter til elektronunderbåndene i MQW. Værket giver en ny mekanisme til at konstruere ekstraordinære optiske ikke-lineariteter og nye applikationer med muligheder for yderligere justering af ikke-triviel optisk begrænsning og applikationer i ikke-lineær optik og integreret fotonik.

© 2020 Science X Network