Comparación del modo de transmisión masivo tradicional y los limitadores de pulso propuestos en modo de reflexión a nanoescala. (A y B) Configuraciones convencionales (no a escala) ampliamente utilizadas para la limitación óptica basada en el autodesenfoque inducido por Kerr (A) y la absorción no lineal de tipo Kerr (como TPA) (B). El primero se logra insertando un medio Kerr a granel detrás del plano focal para acelerar la divergencia de un rayo gaussiano incidente con una alta intensidad de modo que solo una fracción del rayo pueda pasar a través de una apertura preasignada. Esto último se realiza colocando un medio Kerr a granel delante del plano focal para absorber la porción de alta intensidad del haz incidente. Tenga en cuenta que un medio Kerr a granel distribuido de manera no homogénea, como se muestra en (B), Se desea maximizar la absorción no lineal. (C) Limitador óptico reflectante de reciente aparición (no a escala). Para limitar la transmisión de alta intensidad, en lugar de aumentar la absorción (B), la reflexión del limitador de pulso reflectante se mejorará debido a la falta de resonancia por encima del umbral de intensidad. (D) Representación esquemática del limitador óptico reflectante a nanoescala (no a escala). La película limitadora óptica de longitud de onda profunda se puede integrar en la superficie de un componente óptico existente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
En las últimas décadas, Los físicos han llevado a cabo profundas investigaciones de laboratorio sobre la óptica no lineal, la física del plasma y la ciencia cuántica con tecnología avanzada de alta intensidad, láseres de pulso ultracorto. Naturalmente, un mayor uso de la tecnología corría el riesgo de dañar los sistemas de detección óptica y, por lo tanto, propusieron una variedad de mecanismos y dispositivos de limitación óptica. La miniaturización de dispositivos de dichos diseños mientras se mantiene una integración y un control superiores puede, sin embargo, volverse complejo. En un nuevo informe, Haoliang Qian y un equipo de investigación en ingeniería eléctrica e informática, ciencia de los Materiales, química y el Centro de Investigación de la Memoria y la Grabación de la Universidad de California, San Diego, NOSOTROS., detalló un limitador de pulsos en modo de reflexión. Diseñaron el dispositivo utilizando películas refractarias a nanoescala hechas de óxido de aluminio y nitruro de titanio intercalado (Al 2 O 3 / TiN / Al 2 O 3 ) para construir los pozos cuánticos metálicos (MQW). El efecto de tamaño cuántico del MQW proporcionó no linealidades de tipo Kerr grandes y ultrarrápidas. Las multicapas funcionales que contienen estos MQW encontrarán nuevas aplicaciones en metaóptica, nanofotónica y óptica no lineal, y los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .
Un limitador óptico puede facilitar la transmisión lineal o la reflexión por debajo de una determinada intensidad de luz incidente o umbral de potencia, y por encima de ese umbral, el dispositivo puede mantener la potencia óptica reflejada en un valor sintonizable. Un limitador apropiado colocado frente a un sensor óptico puede proteger el sensor y extender su rango de trabajo a condiciones más extremas de lo que antes se creía posible. Los limitadores ópticos pasivos tienen un tiempo de respuesta rápido y se utilizan ampliamente para limitar los pulsos ópticos cortos. Los dispositivos están hechos de materiales con una de las siguientes propiedades:propiedades ópticas no lineales, incluida la refracción no lineal, absorción no lineal o dispersión no lineal. La mayoría de los procesos no lineales se basan en el efecto óptico Kerr (característica electroóptica), dando lugar a un tiempo de respuesta ultrarrápido. Por lo tanto, los investigadores estudian materiales no lineales de tipo Kerr extraordinarios como un elemento crítico para que los nuevos limitadores ópticos pasivos protejan contra pulsos ópticos ultracortos. Los limitadores ópticos pasivos de tipo Kerr generalmente están hechos de medios sólidos o líquidos a macroescala. Los científicos aún deben informar sobre un material o sistema que proporcione una no linealidad lo suficientemente fuerte en la nanoescala para facilitar un efecto de limitación de pulso en modo de reflexión.
Caracterización espacio-temporal de pulsos. a, Perfil de haz de SHG generado a partir del haz de infrarrojos cercano desenfocado seleccionado. B, Ancho de línea de las señales SHG de un autocorrelator de un solo disparo. C, Curva de calibración del autocorrelator de un solo disparo. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
En este trabajo, Qian y col. detalló un limitador óptico a nanoescala de tipo Kerr basado en el sistema de material duradero MQW (pozos cuánticos metálicos) para generar pulsos de femtosegundos. El dispositivo contenía materiales refractarios como nitruro de titanio (TiN) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ); ideal para aplicaciones ópticas no lineales de alta intensidad desarrolladas sobre un sustrato de zafiro con precisión de nivel atómico. En la configuración, cuantificaron los electrones libres en el pozo metálico (TiN) intercalado entre la barrera dieléctrica vecina (Al 2 O 3 ). Esta disposición experimental permitió que la banda de conducción electrónica de la nanofilm de TiN confinada se dividiera en subbandas. El equipo notó que las primeras cinco subbandas estaban por debajo del nivel de Fermi, proporcionando una gran cantidad de transiciones electrónicas. Las transiciones contribuyeron al efecto de limitación de pulso a través de la no linealidad de Kerr de la configuración de MQW y afectaron una variedad de procesos de absorción multifotónica. Las abundantes subbandas electrónicas permitieron un comportamiento de limitación de pulso sin precedentes en las películas delgadas refractarias a nanoescala.
Varias subbandas electrónicas en las películas de TiN de tamaño cuántico que permiten coeficientes de Kerr extraordinariamente altos. (A) Diagrama de bandas de conducción de un TiN MQW (izquierda) y la correspondiente dispersión electrónica de subbandas (derecha). El nivel de Fermi EF (~ 4,6 eV) se muestra como la línea discontinua. Las flechas rojas indican las transiciones entre subbandas de fotón único entre las subbandas ∣2⟩ y ∣3⟩. (B) Dependencia de la longitud de onda de la constante óptica no lineal n2 de una película de TiN de 2 nm de espesor, medido por la técnica de escaneo z usando pulsos de láser polarizados p con incidencia de 45 ° (ancho de pulso de 100 fs, Tasa de repetición de 1 kHz; Astrella, Coherente) con una intensidad de ~ 70 GW / cm2. Tenga en cuenta que se utiliza un signo menos "-" en la fiesta imaginaria de n2. La flecha roja corresponde a la longitud de onda de transición calculada que se muestra en (A), mientras que las líneas continuas son las curvas ajustadas por spline. Las fluctuaciones en múltiples mediciones en varios lugares se indican mediante las barras de error (SD). El recuadro muestra una sección transversal típica de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de una película delgada de TiN MQW. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
Debido al efecto plasmónico del constituyente TiN, Las muestras de pozos cuánticos metálicos exhibieron una alta reflexión similar a un metal con una iluminación de baja intensidad. Durante las mediciones de escaneo z utilizadas para medir propiedades ópticas no lineales de materiales, el equipo observó un pico resonante resuelto asociado con la transición de fotón único (no linealidad de Kerr) entre subbandas, que concuerda con la estructura de bandas calculada. El MQW propuesto funcionó como dieléctrico durante la iluminación de alta intensidad para formar un limitador óptico en modo de reflexión, el primero en estudio, proporcionando un nuevo grado de libertad para diseñar un sistema de limitación óptica óptimo. El MQW de película fina a nanoescala para un limitador de pulso de femtosegundos funcionó en el modo de reflexión y Qian et al. integrado en la superficie de un componente óptico para simplificar la configuración de limitación óptica. Lograron una sintonización sin precedentes para los dispositivos al apilar MQW como metamateriales y obtuvieron un limitador de pulso a nanoescala versátil; un elemento crucial para diseñar sistemas ópticos y fotónicos compactos.
Demostración experimental del limitador de pulso de femtosegundo a nanoescala en modo de reflexión utilizando MQW basados en TiN. (A) Configuración experimental del limitador de pulsos en modo de reflexión (no a escala). El atenuador se utiliza para variar las potencias incidentes para obtener curvas de limitación de pulso. (B) Sección transversal TEM típica de una película delgada MQW de 7 unidades. La capa en la parte superior de los MQW es una capa protectora que se usa solo para la preparación de la sección transversal de TEM durante el proceso de corte por haz de iones enfocado. (C) Dependencia de la intensidad de la potencia reflejada medida para muestras con una sola unidad y 7 unidades de MQW a la longitud de onda de 1997 nm (ancho de pulso de 100 fs, Tasa de repetición de 1 kHz, Radio de haz de 130 μm, Incidencia de 45 °, yp polarización). Las líneas discontinuas muestran las correspondientes curvas de reflexión lineal. El Ion de intensidad limitante de inicio se define en el texto principal. Los recuadros muestran una sección transversal TEM ampliada de la película delgada MQW de 7 unidades (izquierda) y una imagen TEM de alta resolución en campo oscuro (derecha) que muestra la alta calidad de la multicapa desarrollada. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
Debido a la ingeniería habilitada por metamateriales, el grosor de las películas MQW a nanoescala proporcionó una extraordinaria capacidad de sintonización del rendimiento de limitación de pulsos en comparación con los limitadores ópticos a granel convencionales. Experimentos adicionales revelaron que la fuerte respuesta de Kerr de los MQW se origina a partir de la transición de un solo fotón entre subbandas específicas. Debido a los procesos de absorción de fotón único (1PA) y absorción de dos fotones (TPA), Los electrones libres sobre el mar de Fermi podrían promoverse continuamente en la configuración. Según los resultados, Qian y col. creen que las múltiples transiciones entre subbandas observadas y su efecto Kerr de banda ancha en los sistemas MQW tienen efectos de limitación de pulso similares en las longitudes de onda del infrarrojo cercano (NIR).
Física de las no linealidades ópticas de Kerr de los MQW. (A y B) Índice de refracción dependiente de la intensidad nI extraído de la reflectividad y transmisividad medidas experimentalmente ["exp" en (A)] y ajustado por los modelos de saturación de absorción de fotón único (1PA) y absorción de dos fotones (TPA) [ "Encajar" en (B)]. El recuadro de (B) muestra diagramas que representan el Kerr, 1PA, y procesos TPA, respectivamente. La muestra utilizada tiene 7 unidades de MQW, y los datos se toman a la longitud de onda de 1997 nm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aay3456
De este modo, Haoliang Qian y sus colegas demostraron por primera vez en este estudio una película delgada limitadora de pulsos de femtosegundos en modo de reflexión a nanoescala hecha de materiales refractarios. Facilitaron la configuración utilizando no linealidades Kerr ópticas grandes y ultrarrápidas de los MQW integrados. El equipo acreditó lo sin precedentes, no linealidades de Kerr dependientes de la intensidad a las subbandas de electrones en el MQW. El trabajo proporciona un nuevo mecanismo para diseñar no linealidades ópticas extraordinarias y aplicaciones novedosas con opciones para una mayor sintonización de limitaciones ópticas no triviales y aplicaciones en óptica no lineal y fotónica integrada.
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