In de afgelopen decennia is natuurkundigen hebben diepgaand laboratoriumonderzoek gedaan naar niet-lineaire optica, plasmafysica en kwantumwetenschap met behulp van geavanceerde high-intensity, ultrakorte-puls lasers. Een toenemend gebruik van de technologie liep natuurlijk het risico de optische detectiesystemen te beschadigen en daarom stelden ze een verscheidenheid aan optische beperkende mechanismen en apparaten voor. Apparaatminiaturisatie van dergelijke ontwerpen met behoud van superieure integreerbaarheid en controle kan, echter, complex worden. In een nieuw rapport Haoliang Qian en een onderzoeksteam in elektrotechniek en computertechniek, materiaal kunde, scheikunde en het Center for Memory and Recording Research aan de Universiteit van Californië, San Diego, ONS., gedetailleerd een reflectie-modus pulsbegrenzer. Ze ontwierpen het apparaat met behulp van vuurvaste films op nanoschaal gemaakt van aluminiumoxide en ingeklemd titaniumnitride (Al ₂ O ₃ /TiN/Al ₂ O ₃ ) om de metalen kwantumputten (MQW's) te bouwen. Het kwantumgrootte-effect van de MQW zorgde voor grote en ultrasnelle niet-lineariteiten van het Kerr-type. Functionele meerlagen die deze MQW's bevatten, zullen nieuwe toepassingen vinden in meta-optica, nanofotonica en niet-lineaire optica, en de resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Een optische begrenzer kan lineaire transmissie of reflectie onder een bepaalde invallende lichtintensiteit of vermogensdrempel vergemakkelijken, en boven die drempel, het apparaat kan het gereflecteerde optische vermogen op een afstembare waarde houden. Een geschikte begrenzer die voor een optische sensor is geplaatst, kan de sensor beschermen en het werkbereik uitbreiden tot extremere omstandigheden dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Passieve optische begrenzers hebben een snelle responstijd en worden veel gebruikt om korte optische pulsen te beperken. De apparaten zijn gemaakt van materialen met een van de volgende eigenschappen:niet-lineaire optische eigenschappen, inclusief niet-lineaire breking, niet-lineaire absorptie of niet-lineaire verstrooiing. De meeste niet-lineaire processen zijn gebaseerd op het optische Kerr-effect (elektro-optische functie), waardoor een ultrasnelle responstijd ontstaat. Onderzoekers bestuderen daarom buitengewone niet-lineaire materialen van het Kerr-type als een cruciaal element voor nieuwe passieve optische begrenzers ter bescherming tegen ultrakorte optische pulsen. Kerr-type passieve optische begrenzers zijn over het algemeen gemaakt van vaste of vloeibare media op macroschaal. Wetenschappers moeten nog rapporteren over een materiaal of systeem dat een sterk genoeg niet-lineariteit op nanoschaal biedt om een ​​reflectie-modus pulsbeperkend effect te vergemakkelijken.

In dit werk, Qian et al. gedetailleerde een Kerr-type optische begrenzer op nanoschaal gebaseerd op het duurzame MQW (metallic quantum wells) materiaalsysteem om femtoseconde pulsen te genereren. Het apparaat bevatte vuurvaste materialen zoals titaniumnitride (TiN) en aluminiumoxide (Al ₂ O ₃ ); ideaal voor niet-lineaire optische toepassingen met hoge intensiteit, ontwikkeld op een saffiersubstraat met nauwkeurigheid op atomair niveau. In de opstelling, ze kwantiseerden de vrije elektronen in de metalen put (TiN) ingeklemd tussen de naburige diëlektrische barrière (Al ₂ O ₃ ). Door deze experimentele opstelling kon de elektronische geleidingsband van de beperkte TiN-nanofilm zich in subbanden splitsen. Het team merkte op dat de eerste vijf subbanden onder het Fermi-niveau lagen, biedt een schat aan elektronische overgangen. De overgangen droegen bij aan het pulsbeperkende effect via de Kerr-niet-lineariteit van de MQW-opstelling en beïnvloedden een verscheidenheid aan multifoton-absorptieprocessen. De overvloedige elektronische subbanden maakten een ongekend pulsbeperkend gedrag mogelijk in de vuurvaste dunne films op nanoschaal.

Vanwege het plasmonische effect van het samenstellende TiN, metalen kwantumputmonsters vertoonden een metaalachtige hoge reflectie bij verlichting met lage intensiteit. Tijdens z-scan metingen die worden gebruikt om niet-lineaire optische eigenschappen van materialen te meten, het team observeerde een opgeloste resonantiepiek geassocieerd met de enkelvoudige fotonovergang (Kerr-niet-lineariteit) tussen subbanden, die overeenkwamen met de berekende bandstructuur. De voorgestelde MQW functioneerde als een diëlektricum tijdens belichting met hoge intensiteit om een ​​eerste in studie reflectiemodus optische begrenzer te vormen, biedt een nieuwe mate van vrijheid om een ​​optimaal optisch begrenzingssysteem te ontwerpen. De dunne film MQW op nanoschaal voor een femtoseconde pulsbegrenzer werkte in de reflectiemodus en Qian et al. integreerde het op het oppervlak van een optische component om de optische beperkende configuratie te vereenvoudigen. Ze bereikten een ongekende afstembaarheid voor de apparaten door MQW's als metamaterialen te stapelen en verkregen een veelzijdige pulsbegrenzer op nanoschaal; een cruciaal element om compacte optische en fotonische systemen te ontwerpen.

Dankzij metamateriaal-enabled engineering zorgde de dikte van de MQW-films op nanoschaal voor een buitengewone afstembaarheid van pulsbeperkende prestaties in vergelijking met conventionele optische bulkbegrenzers. Aanvullende experimenten onthulden dat de sterke Kerr-respons van MQW's afkomstig is van de overgang van één foton tussen specifieke subbanden. Als gevolg van single-photon-absorptie (1PA) en two-photon-absorptie (TPA) processen, vrije elektronen boven de Fermi-zee zouden continu kunnen worden bevorderd in de opstelling. Op basis van de resultaten, Qian et al. geloof dat de waargenomen meervoudige inter-subbandovergangen en hun breedband Kerr-effect in MQW-systemen vergelijkbare pulsbeperkende effecten hebben in de nabij-infrarood (NIR) golflengten.

Op deze manier, Haoliang Qian en collega's demonstreerden voor het eerst in dit onderzoek een femtoseconde pulsbeperkende dunne film gemaakt van vuurvaste materialen op nanoschaal. Ze faciliteerden de installatie met behulp van grote en ultrasnelle optische Kerr-niet-lineariteiten van de ingebedde MQW's. Het team heeft de ongekende, intensiteitsafhankelijke Kerr-niet-lineariteiten met de elektronensubbanden in de MQW. Het werk biedt een nieuw mechanisme om buitengewone optische niet-lineariteiten en nieuwe toepassingen te ontwikkelen met opties voor verdere afstemming van niet-triviale optische begrenzing en toepassingen in niet-lineaire optica en geïntegreerde fotonica.

© 2020 Wetenschap X Netwerk