Confronto tra la modalità di trasmissione di massa tradizionale e i limitatori di impulsi in modalità di riflessione su scala nanometrica proposti. (A e B) Configurazioni convenzionali (non in scala) ampiamente utilizzate per la limitazione ottica basata sull'auto-sfocatura indotta da Kerr (A) e sull'assorbimento non lineare di tipo Kerr (come TPA) (B). Il primo si ottiene inserendo un mezzo di massa Kerr dietro il piano focale per accelerare la divergenza di un fascio gaussiano incidente con un'elevata intensità in modo che solo una frazione del fascio possa passare attraverso un'apertura preassegnata. Quest'ultimo viene eseguito posizionando un mezzo di massa Kerr davanti al piano focale per assorbire la porzione ad alta intensità del raggio incidente. Si noti che un mezzo di Kerr sfuso distribuito in modo disomogeneo, come mostrato in (B), si desidera massimizzare l'assorbimento non lineare. (C) Limitatore ottico riflettente emergente di recente (non in scala). Per limitare la trasmissione ad alta intensità, invece di aumentare l'assorbimento (B), la riflessione del limitatore di impulso riflettente sarà migliorata a causa della fuori risonanza al di sopra dell'intensità di soglia. (D) Rappresentazione schematica del limitatore ottico riflettente su nanoscala (non in scala). Il film limitatore ottico a lunghezza d'onda profonda può essere integrato sulla superficie di un componente ottico esistente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay3456
Negli ultimi decenni, i fisici hanno condotto approfondite indagini di laboratorio sull'ottica non lineare, la fisica del plasma e la scienza quantistica che utilizzano tecnologie avanzate ad alta intensità, laser a impulsi ultracorti. L'aumento dell'uso della tecnologia ha naturalmente rischiato di danneggiare i sistemi di rilevamento ottico e quindi hanno proposto una varietà di meccanismi e dispositivi di limitazione ottica. La miniaturizzazione del dispositivo di tali progetti mantenendo un'integrabilità e un controllo superiori può, però, diventare complesso. In un nuovo rapporto, Haoliang Qian e un gruppo di ricerca in ingegneria elettrica e informatica, scienza dei materiali, chimica e il Center for Memory and Recording Research presso l'Università della California, San Diego, NOI., dettagliato un limitatore di impulsi in modalità riflessione. Hanno progettato il dispositivo utilizzando pellicole refrattarie su nanoscala fatte di ossido di alluminio e nitruro di titanio a sandwich (Al 2 oh 3 /TiN/Al 2 oh 3 ) per costruire i pozzi quantici metallici (MQW). L'effetto della dimensione quantistica del MQW ha fornito non linearità di tipo Kerr grandi e ultraveloci. I multistrati funzionali contenenti questi MQW troveranno nuove applicazioni in meta-ottica, nanofotonica e ottica non lineare, e i risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici .
Un limitatore ottico può facilitare la trasmissione lineare o la riflessione al di sotto di una certa intensità della luce incidente o soglia di potenza, e sopra quella soglia, il dispositivo può mantenere la potenza ottica riflessa ad un valore sintonizzabile. Un opportuno limitatore posto di fronte a un sensore ottico può proteggere il sensore ed estendere il suo raggio di lavoro a condizioni più estreme di quanto si pensasse in precedenza. I limitatori ottici passivi hanno un tempo di risposta rapido e sono ampiamente utilizzati per limitare brevi impulsi ottici. I dispositivi sono realizzati con materiali con una delle seguenti proprietà:proprietà ottiche non lineari, compresa la rifrazione non lineare, assorbimento non lineare o diffusione non lineare. La maggior parte dei processi non lineari si basa sull'effetto ottico Kerr (caratteristica elettro-ottica), dando luogo ad un tempo di risposta ultrarapido. I ricercatori studiano quindi straordinari materiali non lineari di tipo Kerr come elemento critico per i nuovi limitatori ottici passivi per la protezione dagli impulsi ottici ultracorti. I limitatori ottici passivi di tipo Kerr sono generalmente realizzati con mezzi solidi o liquidi su macroscala. Gli scienziati devono ancora riferire su un materiale o un sistema che fornisca una non linearità sufficientemente forte su scala nanometrica per facilitare un effetto di limitazione dell'impulso in modalità riflessione.
Caratterizzazione spazio-temporale degli impulsi. un, Profilo del raggio di SHG generato dal raggio IR vicino non focalizzato selezionato. B, Larghezza di linea dei segnali SHG da un autocorrelatore a colpo singolo. C, Curva di calibrazione dell'autocorrelatore single-shot. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay3456
In questo lavoro, Qian et al. ha dettagliato un limitatore ottico di tipo Kerr su nanoscala basato sul sistema di materiale durevole MQW (pozzi quantici metallici) per generare impulsi a femtosecondi. Il dispositivo conteneva materiali refrattari come nitruro di titanio (TiN) e ossido di alluminio (Al 2 oh 3 ); ideale per applicazioni ottiche non lineari ad alta intensità sviluppate su un substrato di zaffiro con precisione a livello atomico. Nella configurazione, hanno quantizzato gli elettroni liberi nel pozzo metallico (TiN) racchiuso tra la vicina barriera dielettrica (Al 2 oh 3 ). Questa disposizione sperimentale ha permesso alla banda di conduzione elettronica del nanofilm di TiN confinato di dividersi in sottobande. Il team ha notato che le prime cinque sottobande erano al di sotto del livello di Fermi, fornendo una vasta gamma di transizioni elettroniche. Le transizioni hanno contribuito all'effetto di limitazione dell'impulso tramite la non linearità Kerr della configurazione MQW e hanno influenzato una varietà di processi di assorbimento multifotone. Le abbondanti sottobande elettroniche hanno consentito un comportamento di limitazione degli impulsi senza precedenti nei film sottili refrattari su nanoscala.
Sottobande elettroniche multiple nei film di TiN di dimensioni quantistiche che consentono coefficienti Kerr straordinariamente elevati. (A) Diagramma della banda di conduzione di un TiN MQW (a sinistra) e la corrispondente dispersione elettronica delle sottobande (a destra). Il livello di Fermi EF (~4.6 eV) è mostrato come una linea tratteggiata. Le frecce rosse indicano le transizioni intersottobanda a singolo fotone tra le sottobande ∣2⟩ e ∣3⟩. (B) Dipendenza dalla lunghezza d'onda della costante ottica non lineare n2 di un film TiN spesso 2 nm, misurata con la tecnica z-scan utilizzando impulsi laser polarizzati p a incidenza di 45° (ampiezza dell'impulso di 100 fs, frequenza di ripetizione di 1 kHz; Astella, Coherent) con intensità di ~70 GW/cm2. Si noti che un meno "-" viene utilizzato nel partito immaginario del n2. La freccia rossa corrisponde alla lunghezza d'onda di transizione calcolata mostrata in (A), mentre le linee continue sono le curve adattate a spline. Le fluttuazioni in più misurazioni in varie posizioni sono indicate dalle barre di errore (SD). L'inserto mostra una tipica sezione trasversale al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di un film sottile TiN MQW. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay3456
A causa dell'effetto plasmonico del costituente TiN, i campioni di pozzi quantici metallici hanno mostrato un'elevata riflessione simile al metallo con un'illuminazione a bassa intensità. Durante le misurazioni z-scan utilizzate per misurare le proprietà ottiche non lineari dei materiali, il team ha osservato un picco risonante risolto associato alla transizione del singolo fotone (non linearità di Kerr) tra le sottobande, che concordava con la struttura a bande calcolata. Il MQW proposto ha funzionato come un dielettrico durante l'illuminazione ad alta intensità per formare un limitatore ottico in modalità riflessione primo nello studio, fornendo un nuovo grado di libertà per progettare un sistema di limitazione ottica ottimale. Il film sottile MQW su nanoscala per un limitatore di impulsi a femtosecondi ha funzionato in modalità riflessione e Qian et al. integrato sulla superficie di un componente ottico per semplificare la configurazione della limitazione ottica. Hanno ottenuto una sintonizzabilità senza precedenti per i dispositivi impilando gli MQW come metamateriali e ottenuto un versatile limitatore di impulsi su nanoscala; un elemento cruciale per progettare sistemi ottici e fotonici compatti.
Dimostrazione sperimentale del limitatore di impulsi a femtosecondi su scala nanometrica in modalità riflessione utilizzando MQW basati su TiN. (A) Configurazione sperimentale del limitatore di impulsi in modalità riflessione (non in scala). L'attenuatore viene utilizzato per variare le potenze incidenti per ottenere curve di limitazione dell'impulso. (B) Tipica sezione trasversale TEM di un film sottile MQW di 7 unità. Lo strato sopra i MQW è uno strato protettivo utilizzato solo per la preparazione della sezione trasversale TEM durante il processo di taglio del fascio ionico focalizzato. (C) Dipendenza dall'intensità della potenza riflessa misurata per campioni con una singola unità e 7 unità di MQW alla lunghezza d'onda di 1997 nm (ampiezza dell'impulso di 100 fs, Frequenza di ripetizione di 1 kHz, raggio del fascio di 130 μm, incidenza 45°, e p polarizzazione). Le linee tratteggiate mostrano le corrispondenti curve di riflessione lineare. L'intensità dell'inizio della limitazione Ion è definita nel testo principale. Gli inserti mostrano una sezione trasversale TEM ingrandita del film sottile MQW a 7 unità (a sinistra) e un'immagine TEM ad alta risoluzione in campo scuro (a destra) che mostra l'alta qualità del multistrato cresciuto. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay3456
Grazie all'ingegneria abilitata ai metamateriali, lo spessore dei film MQW su scala nanometrica ha fornito una straordinaria sintonizzabilità delle prestazioni di limitazione degli impulsi rispetto ai limitatori ottici di massa convenzionali. Ulteriori esperimenti hanno rivelato che la forte risposta di Kerr degli MQW ha origine dalla transizione di un singolo fotone tra sottobande specifiche. A causa dei processi di assorbimento a singolo fotone (1PA) e a due fotoni (TPA), gli elettroni liberi sopra il mare di Fermi potrebbero essere continuamente promossi nel setup. In base ai risultati, Qian et al. ritengono che le transizioni multiple inter-sottobanda osservate e il loro effetto Kerr a banda larga nei sistemi MQW abbiano effetti di limitazione degli impulsi simili nelle lunghezze d'onda del vicino infrarosso (NIR).
Fisica delle non linearità ottiche di Kerr delle MQW. (A e B) Indice di rifrazione dipendente dall'intensità nI estratto dalla riflettività e trasmissività misurate sperimentalmente ["exp" in (A)] e adattato dai modelli di saturazione di assorbimento a singolo fotone (1PA) e assorbimento a due fotoni (TPA) [ “adattarsi” in (B)]. L'inserto di (B) mostra i diagrammi che rappresentano il Kerr, 1PA, e processi TPA, rispettivamente. Il campione utilizzato ha 7 unità di MQW, ei dati sono presi alla lunghezza d'onda di 1997 nm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay3456
In questo modo, Haoliang Qian e colleghi hanno dimostrato per la prima volta in questo studio un film sottile di limitazione dell'impulso a femtosecondi in modalità riflessione su nanoscala realizzato con materiali refrattari. Hanno facilitato la configurazione utilizzando non linearità Kerr ottiche grandi e ultraveloci degli MQW incorporati. Il team ha accreditato l'inedito, non linearità di Kerr dipendenti dall'intensità alle sottobande di elettroni nel MQW. Il lavoro fornisce un nuovo meccanismo per progettare straordinarie non linearità ottiche e nuove applicazioni con opzioni per un'ulteriore sintonizzabilità della limitazione ottica non banale e applicazioni in ottica non lineare e fotonica integrata.
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