Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van het Laboratorium voor Nanomaterialen van het Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials (CPQM) heeft aangetoond dat de niet-lineaire optische respons van koolstofnanobuisjes kan worden gecontroleerd door elektrochemische gating. Deze benadering maakte het mogelijk een apparaat te ontwerpen voor het regelen van de duur van de laserpuls. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het prestigieuze internationale tijdschrift Nano-letters .

Optische fenomenen die we in ons dagelijks leven tegenkomen, zoals reflectie, breking of absorptie van licht, zijn niet afhankelijk van de intensiteit van invallend licht. Echter, bij zeer hoge stralingsintensiteiten, een nieuwe klasse van verschijnselen ontstaat, die veranderingen in de brekingsindex veroorzaakt, zelffocussering van licht of het verschijnen van straling op nieuwe golflengten. Deze en andere verschijnselen die afhankelijk zijn van de intensiteit van het licht, worden bestudeerd door een deel van de natuurkunde dat niet-lineaire optica wordt genoemd. Normaal gesproken, de efficiëntie van niet-lineaire optische respons is de onveranderlijke eigenschap van het materiaal dat wordt bepaald door zijn structuur.

Het gebruik van nanomaterialen als een optisch niet-lineair medium opent nieuwe perspectieven voor niet-lineariteitscontrole dankzij het feit dat de meeste atomen aan het oppervlak worden blootgesteld. Dit maakt het mogelijk de elektronische structuur van een materiaal te controleren en zo de niet-lineaire optische respons te veranderen.

Skoltech-wetenschappers in samenwerking met hun collega's van het Fiber Optics Research Center van RAS, Novosibirsk State University en de University of Warwick (VK) hebben een methode voorgesteld voor het regelen van de verzadigbare absorptie van koolstofnanobuisjes met behulp van elektrochemische gating. Verzadigbare absorptie is een niet-lineair optisch effect wanneer de absorptiecoëfficiënt afneemt met toenemende kracht van invallend licht. Dus, het materiaal wordt transparanter onder intense laserstraling. "We hebben aangetoond dat de grootte van de niet-lineaire transparantie kan worden gecontroleerd door het materiaal in een elektrochemische cel te plaatsen. Het is bekend dat, indien geplaatst in de elektrochemische cel, nanobuisjes kunnen een aanzienlijke hoeveelheid elektrische lading op hun oppervlak accumuleren. Wat tot nu toe niet bekend is, is dat de accumulatie van lading leidt tot een significante verandering in de niet-lineaire optische respons van het materiaal en, vooral, een vermindering van de verzadigbare absorptie, " zegt de eerste auteur van de studie en Senior Research Scientist bij Skoltech, Joeri Gladush.

Ook, de auteurs hebben gekeken naar een van de mogelijke praktische toepassingen van een materiaal met een gecontroleerde niet-lineaire respons. Verzadigbare absorptie wordt veel gebruikt in lasersystemen om femtoseconde lichtpulsen te genereren. Het enige wat u hoeft te doen is een verzadigbare absorber met bepaalde parameters in de laserholte plaatsen. "We gingen ervan uit dat het lasergeneratieregime kan worden gecontroleerd door de niet-lineaire respons van het materiaal aan te passen. Om dit te doen, we bouwden een elektrochemische cel met koolstofnanobuisjes die op het optische vezeloppervlak werden geplaatst en integreerden deze in de holte van de optische vezellaser. We ontdekten dat door het aanleggen van spanning op het apparaat, men kan overschakelen van continu lasergeneratieregime naar gepulseerd regime in het femtoseconde- en microsecondebereik. Deze uitvinding maakt de weg vrij voor universele lasersystemen met een regelbare pulsduur die kunnen worden gebruikt bij laserbewerking van materialen, Laser operatie, en esthetische geneeskunde, " legt Albert Nasibulin uit, Hoofd van Skoltech's laboratorium voor nanomaterialen en hoogleraar RAS.