Нов пробив в технологията на ултракъсия лазерен импулс

Лазерите стават неразделна част от безброй устройства и индустрии. Когато лазерен лъч взаимодейства с повърхността на наномащабен материал, той излъчва вълна от светлина, наречена "плазмон" (плазмен екситон), и свойствата на даден плазмен екситон могат да предадат информация. При оптично предаване лазерът изпомпва светлина в компонент, наречен "насищащ се абсорбатор", за да произведе оптичен сигнал.
Наскоро Ю Яо, доцент по електроинженерство в Държавния университет на Аризона, и нейният изследователски екип в Центъра за иновации във фотониката на щата Аризона са проектирали по-бърз, по-енергийно ефективен наномащабен лазерен елемент, наречен графен-плазмен хибриден метаструктуриран наситен абсорбер, или GPSMA.
GPSMA има потенциални приложения в индустрии като комуникации, обработка на информация, спектроскопия и биомедицина. Абсорберът може да се използва за подобряване на скоростта, ефективността и цялостната производителност за усъвършенстване на предаването на данни, обработката на информация, биомедицинските сензори и технологиите за изображения.
Поради своите полезни свойства в оптичната модулация и насищащата се абсорбция, екипът на Ю Яо включи изкуствено конструиран хибрид метал-графен в своето развитие.
В скорошна статия, публикувана в научното списание ACS Nano, Яо описва подробно как нейната лаборатория е интегрирала наситен абсорбатор на базата на графен и как са успели да подобрят устройството, за да намалят консумацията на енергия, като същевременно поддържат ултрабързи времена за реакция.
Те са получили тези важни резултати чрез проектиране на оптична антенна решетка, която фокусира светлината върху наномащабни празнини в материала, известни като горещи точки, за насърчаване на абсорбцията. Чрез фокусиране на лазера върху тези горещи точки те наблюдават подобрена производителност и намалена консумация на енергия.
„Графенът е лек и има бързи времена на оптична реакция, но ниска абсорбция в монослойната си форма,“ каза Ю Яо, „Ние проектирахме устройството така, че абсорбцията на светлина в наномащабни горещи точки може да се увеличи с повече от три порядъка, произвеждайки не само силно поглъщане на светлина, но също и ефект на поглъщане на насищане. С GPSMA правим устройство за поглъщане на насищане, което всъщност може да намали консумацията на енергия с близо два до три порядъка."
Въз основа на значително увеличената си скорост, тяхната нова технология ще отвори нови възможности за инфрачервена лазерна спектроскопия и високоскоростни оптични сигнални комуникации (оптични кабели и сателитни комуникации).
„Нашето устройство може да работи при рекордно високи скорости“, каза Ю Яо, „Конвенционалните насищащи се абсорбери могат да работят в наносекундна времева скала, но сега можем да достигнем около 60 фемтосекунди, повече от 100, 000 пъти по-бързо от преди. "
Понастоящем GPSMA работи в близки инфрачервени дължини на вълните на електромагнитния спектър. Тъй като графенът има широк оптичен отговор, той може да разшири спектралното си покритие до по-дълги дължини на вълните в инфрачервената спектрална област, което има важни последици за молекулярната спектроскопия и оптичните комуникации. Въпреки това, за по-дълги дължини на вълните, традиционно е по-трудно да се постигне насищаща се абсорбция и да се генерират ултракъси лазерни импулси. Следователно концепцията за дизайн на GPSMA може да запълни такава технологична празнина.
Устройството на екипа на Ю Яо има потенциални приложения в телекомуникационните, енергийните и биомедицинските индустрии. Такива абсорбери могат да се използват за подобряване на скоростта, ефективността и цялостната производителност на оптичните кабели, отваряйки възможности за усъвършенстване на предаването на данни, производителността на слънчевите клетки и технологиите за изображения за откриване на заболявания.