science >> Wetenschap >  >> Fysica

Verzadigbare plasmonische meta-oppervlakken voor vergrendeling van de lasermodus

(a) SEM-beeld van een NR-array met een opening van 50 nm in de richting van de lange as (Gy) en een opening van 300 nm in de richting van de korte as (Gx). De horizontale schaalbalk vertegenwoordigt 200 nm. De inzet toont een enkele NR uit deze array, met een lengte (L) van 445 nm en een breedte (W) van 120 nm. De verticale schaalbalk vertegenwoordigt 100 nm. (b) De experimentele transmissie (rode cirkels) van de NR-array als functie van het ingangsvermogen met de excitatiepolarisatie van 18 ° ten opzichte van de lange as van de NR. De modulatiediepte Md en typische transmissie Tt worden gedefinieerd uit de overeenkomstige fittingen (blauwe curve). De transmissie wordt genormaliseerd naar de waarde van het nabijgelegen blanco glasplaatje. (c) Experimenteel excitatievermogen en polarisatie-afhankelijke niet-lineaire transmissie van een NRs-array. (d) Het schema van een zelfgebouwde ultrasnelle fiberlaser die lithografische NR's integreert als verzadigbare absorber, waar LD staat voor laserdiode, WDM-golflengteverdeling multiplexen, EDF erbium-gedoteerde vezel, ISO optische isolator, PC-polarisatiecontrolemechanisme, C1, 2 collimators en O1, 2 doelstellingen. (e) Pulsreeks weergegeven op de oscilloscoop in het kort (300 ns, onderste paneel) en lang (10 ms, bovenste paneel) tijdbereiken. Krediet:door Jiyong Wang, Aurelien Coillet, Olivier Demichel, Zhiqiang Wang, Davi Rego, Alexandre Bouhelier, Philippe Grelu en Benoit Cluzel

Plasmonische meta-oppervlakken zijn kunstmatige 2D-platen van plasmonische eenheidscellen die worden herhaald in een subgolflengte-array, die aanleiding geven tot onverwachte golfeigenschappen die in de natuur niet voorkomen. In het lineaire regime hun toepassingen in golffrontmanipulatie voor lensing, holografie of polarisatiecontrole zijn intensief bestudeerd. Echter, toepassingen in het niet-lineaire regime zijn zelden gemeld. Gezien de groeiende vraag naar verzadigbare absorbers - een speciale klasse van niet-lineaire apparaten waarin transparantie (of absorptie) afhangt van de lichtintensiteit - voor ultrasnelle lasers en neuromorfe circuits, wetenschappers uit Frankrijk, China en Brazilië hebben plasmonische meta-oppervlakken ontwikkeld die een opmerkelijk efficiënte verzadigbare absorptie bieden die kan worden afgestemd met de polarisatie van licht.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , wetenschappers van Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, aan de Université Bourgogne — Franche-Comté, Frankrijk; van Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication en Characterization van de provincie Zhejiang, Technische school, Westlake-universiteit, China; en medewerkers van de afdeling Elektrotechnologie, Federaal Instituut van Bahia, Brazilië, gebruikte vlakke nanotechnologieën om 2-D plasmonische metasurfaces met de precieze grootte te fabriceren, kloof en oriëntatie en dus goed gecontroleerde plasmonische modus die chemisch gesynthetiseerde tegenhangers nauwelijks aankunnen. De niet-lineaire verzadigbare absorptie onder intens laserpompen werd systematisch onderzocht door het excitatievermogen te veranderen, de polarisatie en de geometrische parameters van de plasmonische meta-oppervlakken. Het verband tussen de polarimetrische verzadigbare absorptie en het plasmonische landschap van de meta-oppervlakken is gekwantificeerd. interessanter, de onderzoekers implementeerden de verzadigbare meta-oppervlakken in een fiberlaser-caviteitsarchitectuur en bereikten een stabiele zelfstartende ultrakorte laserpulsgeneratie.

Ze onderzochten verschillende plasmonische landschappen zoals nanostaafjes, nanokruisen en nanoringen als verzadigbare absorbers om ultrasnelle laserpulsen te genereren. Opmerkelijk, ze maten de modulatiediepte van de verzadigbare absorptie van dergelijke plasmonische meta-oppervlakken tot wel 60%. "Zulke hoge modulatiediepten zijn ongewoon, vooral voor dunne meta-oppervlakken:een vergelijking tussen 2-D-verzadigbare absorbers toont aan dat de maximale gerapporteerde modulatiediepte minder dan 11% is, en een soortgelijk onderzoek met colloïdaal gouden nanostaafjes meldt een modulatiediepte van slechts ongeveer 5%. Een typische SESAM (halfgeleider verzadigbare absorptiespiegel) kan een modulatiediepte hebben van meer dan 30%, maar van een veel dikker apparaat, " zei prof. Grelu.

"Het belangrijkste punt is om de kwantitatieve relatie te vinden tussen de niet-lineaire absorptie en de specifieke plasmonische modi en dit kan alleen worden bereikt door vlakke nanotechnologieën te gebruiken om de plasmonische meta-oppervlakken te fabriceren, e. G. elektronenstraallithografie, in plaats van simpelweg de colloïdale nanodeeltjes op de vezel te spincoaten of de vezel in de nanodeeltjesoplossingen te dompelen, ' zei dokter Cluzel.

Door de plasmonische metasurfaces te integreren in een vrije ruimtesectie van de fiberlaserarchitectuur, de onderzoekers hebben eindelijk een stabiele, zelfstartende laserbewerking met modusvergrendeling verkregen. De typische duur van een enkele soliton-puls is 729 fs, met een grote signaal-ruisverhouding van 75 dB in het radiofrequentiedomein.

"We hebben verzadigbare absorptie gevalideerd als een algemene niet-lineaire optische eigenschap van metalen nanostructuren, een bekend fenomeen voor halfgeleiders. Belangrijker, we hebben een veelbelovende toepassing aangetoond voor niet-lineaire plasmonica, een methode waar de meeste verwante studies weinig aandacht aan besteedden, "Dr. Jiyong Wang voegde toe.