Limitador de pulso óptico em nanoescala facilitado por poços quânticos metálicos refratários
p Comparação do modo de transmissão tradicional em massa e os limitadores de pulso do modo de reflexão em nanoescala propostos. (A e B) Configurações convencionais (fora da escala) amplamente utilizadas para limitação óptica com base na autodefocagem induzida por Kerr (A) e absorção não linear do tipo Kerr (como TPA) (B). O primeiro é obtido inserindo-se um meio Kerr em massa atrás do plano focal para acelerar a divergência de um feixe gaussiano incidente com alta intensidade, de modo que apenas uma fração do feixe possa passar por uma abertura pré-designada. O último é realizado colocando um meio Kerr em massa à frente do plano focal para absorver a porção de alta intensidade do feixe incidente. Observe que um meio Kerr em massa distribuído de forma não homogênea, como mostrado em (B), é desejado para maximizar a absorção não linear. (C) Limitador óptico reflexivo emergente recentemente (fora da escala). Para limitar a transmissão de alta intensidade, em vez de aumentar a absorção (B), a reflexão do limitador de pulso reflexivo será aumentada por causa da ressonância fora da intensidade do limiar. (D) Representação esquemática do limitador óptico reflexivo em nanoescala (fora da escala). O filme limitador óptico de comprimento de onda profundo pode ser integrado à superfície de um componente óptico existente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
p Nas últimas décadas, físicos realizaram investigações laboratoriais profundas em óptica não linear, física de plasma e ciência quântica usando alta intensidade avançada, lasers de pulso ultracurto. O aumento do uso da tecnologia naturalmente arriscava danificar os sistemas de detecção óptica e, portanto, eles propuseram uma variedade de dispositivos e mecanismos de limitação óptica. A miniaturização de dispositivos de tais projetos, mantendo a integrabilidade e o controle superiores pode, Contudo, tornam-se complexos. Em um novo relatório, Haoliang Qian e uma equipe de pesquisa em engenharia elétrica e de computação, Ciência de materiais, química e o Centro de Pesquisa de Memória e Gravação da Universidade da Califórnia, San Diego, NÓS., detalhou um limitador de pulso de modo de reflexão. Eles projetaram o dispositivo usando filmes refratários em nanoescala feitos de óxido de alumínio e nitreto de titânio imprensado (Al
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3 / TiN / Al
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3 ) para construir os poços quânticos metálicos (MQWs). O efeito do tamanho quântico do MQW forneceu não linearidades do tipo Kerr grandes e ultrarrápidas. Multicamadas funcionais contendo esses MQWs encontrarão novos aplicativos em meta-óptica, nanofotônica e óptica não linear, e os resultados agora são publicados em
Avanços da Ciência . p Um limitador óptico pode facilitar a transmissão linear ou reflexão abaixo de uma certa intensidade de luz incidente ou limite de potência, e acima desse limite, o dispositivo pode manter a potência óptica refletida em um valor ajustável. Um limitador apropriado posicionado na frente de um sensor óptico pode proteger o sensor e estender sua faixa de trabalho para condições mais extremas do que se pensava ser possível. Os limitadores ópticos passivos têm um tempo de resposta rápido e são amplamente utilizados para limitar pulsos ópticos curtos. Os dispositivos são feitos de materiais com uma das seguintes propriedades - propriedades ópticas não lineares, incluindo refração não linear, absorção não linear ou espalhamento não linear. A maioria dos processos não lineares são baseados no efeito óptico de Kerr (recurso eletro-óptico), dando origem a um tempo de resposta ultrarrápido. Os pesquisadores, portanto, estudam materiais não lineares extraordinários do tipo Kerr como um elemento crítico para novos limitadores ópticos passivos para proteção contra pulsos ópticos ultracurtos. Os limitadores ópticos passivos do tipo Kerr são geralmente feitos de meio sólido ou líquido em macroescala. Os cientistas ainda não relataram um material ou sistema que forneça uma não linearidade forte o suficiente na nanoescala para facilitar um efeito de limitação de pulso no modo de reflexão.
p Caracterização espaço-temporal de pulsos. uma, Perfil de feixe de SHG gerado a partir do feixe infravermelho próximo sem foco selecionado. b, Largura de linha dos sinais SHG de um autocorrelador de disparo único. c, Curva de calibração do autocorrelador de disparo único. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
p Nesse trabalho, Qian et al. detalhou um limitador óptico do tipo Kerr em nanoescala com base no sistema de material MQW (poços quânticos metálicos) duráveis para gerar pulsos de femtossegundos. O dispositivo continha materiais refratários, como nitreto de titânio (TiN) e óxido de alumínio (Al
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3 ); ideal para aplicações ópticas não lineares de alta intensidade desenvolvidas em um substrato de safira com precisão de nível atômico. Na configuração, eles quantizaram os elétrons livres no poço metálico (TiN) imprensado entre a barreira dielétrica vizinha (Al
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3 ) Este arranjo experimental permitiu que a banda de condução eletrônica do nanofilme de TiN confinado se dividisse em sub-bandas. A equipe observou que as primeiras cinco sub-bandas estavam abaixo do nível de Fermi, fornecendo uma variedade de transições eletrônicas. As transições contribuíram para o efeito de limitação de pulso por meio da não linearidade de Kerr da configuração MQW e afetaram uma variedade de processos de absorção multifotônica. As abundantes sub-bandas eletrônicas permitiram um comportamento de limitação de pulso sem precedentes nos filmes finos refratários em nanoescala.
p Múltiplas sub-bandas eletrônicas nos filmes TiN de tamanho quântico, permitindo coeficientes de Kerr extraordinariamente altos. (A) Diagrama de banda de condução de um TiN MQW (à esquerda) e a dispersão eletrônica correspondente de sub-bandas (à direita). O nível de Fermi EF (~ 4,6 eV) é mostrado como a linha tracejada. As setas vermelhas indicam as transições inter-sub-bandas de fóton único entre as sub-bandas ∣2⟩ e ∣3⟩. (B) Dependência do comprimento de onda da constante óptica não linear n2 de um filme de TiN de 2 nm de espessura, medido pela técnica de varredura z usando pulsos de laser p polarizados incidentes de 45 ° (largura de pulso de 100 fs, Taxa de repetição de 1 kHz; Astrella, Coerente) com a intensidade de ~ 70 GW / cm2. Observe que um menos “-” é usado na parte imaginária do n2. A seta vermelha corresponde ao comprimento de onda de transição calculado mostrado em (A), enquanto as linhas sólidas são as curvas ajustadas por spline. As flutuações em medições múltiplas em vários locais são indicadas pelas barras de erro (SD). A inserção mostra uma seção transversal típica de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de um filme fino de TiN MQW. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
p Devido ao efeito plasmônico do constituinte TiN, amostras de poços quânticos metálicos exibiram uma alta reflexão semelhante a metal em iluminação de baixa intensidade. Durante as medições de z-scan usadas para medir propriedades ópticas não lineares de materiais, a equipe observou um pico ressonante resolvido associado à transição de fóton único (não linearidade de Kerr) entre as sub-bandas, que concordou com a estrutura de banda calculada. O MQW proposto funcionou como um dielétrico durante a iluminação de alta intensidade para formar um primeiro limitador óptico de modo de reflexão no estudo, fornecendo um novo grau de liberdade para projetar um sistema de limitação óptica ideal. O filme fino em nanoescala MQW para um limitador de pulso de femtossegundo funcionou no modo de reflexão e Qian et al. integrou-o na superfície de um componente óptico para simplificar a configuração de limitação óptica. Eles alcançaram capacidade de ajuste sem precedentes para os dispositivos empilhando MQWs como metamateriais e obtiveram um limitador de pulso em nanoescala versátil; um elemento crucial para projetar sistemas ópticos e fotônicos compactos.
p Demonstração experimental do limitador de pulso de femtossegundo em nanoescala de modo de reflexão usando MQWs baseados em TiN. (A) Configuração experimental do limitador de pulso do modo de reflexão (fora da escala). O atenuador é usado para variar os poderes do incidente para obter curvas de limitação de pulso. (B) Seção transversal típica de TEM de um filme fino MQW de 7 unidades. A camada no topo dos MQWs é uma camada protetora usada apenas para a preparação da seção transversal TEM durante o processo de corte do feixe de íons focalizado. (C) Dependência da intensidade da potência refletida medida para amostras com uma única unidade e 7 unidades de MQW no comprimento de onda de 1997 nm (largura de pulso de 100 fs, Taxa de repetição de 1 kHz, Raio de feixe de 130 μm, Incidência de 45 °, e polarização p). As linhas tracejadas mostram as curvas de reflexão linear correspondentes. O íon de intensidade de limite de início é definido no texto principal. As inserções mostram uma seção transversal de TEM ampliada do filme fino MQW de 7 unidades (à esquerda) e uma imagem TEM de campo escuro de alta resolução (à direita) mostrando a alta qualidade do multicamadas crescidas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
p Devido à engenharia habilitada para metamaterial, a espessura dos filmes MQW em nanoescala proporcionou extraordinária capacidade de ajuste de desempenho de limitação de pulso em comparação com limitadores ópticos em massa convencionais. Experimentos adicionais revelaram que a forte resposta Kerr de MQWs se origina da transição de fóton único entre sub-bandas específicas. Devido aos processos de absorção de fóton único (1PA) e absorção de dois fótons (TPA), elétrons livres acima do mar de Fermi poderiam ser continuamente promovidos na configuração. Com base nos resultados, Qian et al. acreditam que as múltiplas transições entre sub-bandas observadas e seu efeito Kerr de banda larga em sistemas MQW têm efeitos de limitação de pulso semelhantes nos comprimentos de onda do infravermelho próximo (NIR).
p Física das não linearidades ópticas de Kerr dos MQWs. (A e B) Índice de refração dependente da intensidade nI extraído da refletividade e transmissividade medidas experimentalmente ["exp" em (A)] e ajustado pelos modelos de saturação de absorção de fóton único (1PA) e absorção de dois fótons (TPA) [ “Encaixar” em (B)]. O detalhe de (B) mostra diagramas que representam o Kerr, 1PA, e processos TPA, respectivamente. A amostra usada tem 7 unidades de MQW, e os dados são obtidos no comprimento de onda de 1997 nm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
p Desta maneira, Haoliang Qian e colegas demonstraram um filme fino limitador de pulso de femtossegundo em modo de reflexão em nanoescala feito de materiais refratários pela primeira vez neste estudo. Eles facilitaram a configuração usando não linearidades Kerr ópticas grandes e ultrarrápidas dos MQWs incorporados. A equipe deu crédito ao inédito, não linearidades de Kerr dependentes da intensidade para as sub-bandas de elétrons no MQW. O trabalho fornece um novo mecanismo para projetar não linearidades ópticas extraordinárias e novas aplicações com opções para ajuste adicional de limitação óptica não trivial e aplicações em óptica não linear e fotônica integrada. p © 2020 Science X Network
