Новости

Jun 15, 2023

Исследователи разработали графен

Исследователи из Университета штата Аризона (ASU) представили концепцию дизайна усиленного эффекта насыщающегося поглощения на основе гибридной графен-плазмонной метаповерхности субволновой толщины (<1/5λ0).

Исследователи из Университета штата Аризона (ASU) представили концепцию дизайна для усиления эффекта насыщающегося поглощения на основе гибридных графен-плазмонных метаповерхностных структур субволновой толщины (<1/5λ0) в инфракрасных длинах волн. Ю Яо и ее исследовательская группа из Центра инноваций в фотонике АГУ разработали более быстрый и энергоэффективный наноразмерный лазерный компонент, называемый графен-плазмонным гибридным метаструктурным насыщающимся поглотителем, известный как GPSMA.

Теоретические и экспериментальные результаты команды показали, что, возбуждая неравновесные носители внутри наноразмерных горячих точек, можно не только увеличить насыщаемое поглощение в графене, но и уменьшить флюенс насыщения более чем на 3 порядка (с ~1 мДж/см2 до ~100 нДж/см2). Результаты их измерений накачкой-зондом показали сверхкороткое время восстановления насыщающегося поглощения (<60 фс), которое в конечном итоге определяется динамикой релаксации фотовозбужденных носителей в графене. Они также наблюдали эффекты сужения импульсов в устройствах на основе результатов автокорреляционных измерений. Такие концепции проектирования можно адаптировать с помощью структурного проектирования для работы в более широком диапазоне длин волн, вплоть до среднего и дальнего инфракрасного диапазона спектра. Эти сверхбыстрые конструкции насыщающихся поглотителей с низким флюенсом могут обеспечить низкопороговые, компактные, самозапускающиеся лазеры с синхронизацией мод, формирование лазерных импульсов и высокоскоростную оптическую обработку информации.

Лазеры производят узкие лучи света. Когда свет лазера взаимодействует с поверхностью материала на наноуровне, он излучает волну света, известную как плазмон, и атрибуты данного плазмона могут передавать информацию. При оптической передаче лазер накачивает свет на компонент, называемый насыщаемым поглотителем, для генерации оптического сигнала.

Недавно разработанный командой GPSMA имеет потенциальное применение в сфере связи, обработки информации, спектроскопии и биомедицинской промышленности. Поглотитель можно использовать для повышения скорости, эффективности и общей производительности для развития технологий передачи данных, обработки информации, биомедицинского зондирования и визуализации.

Команда Яо включила в свою работу искусственно созданный гибридный материал металл-графен из-за его полезных свойств в области оптической модуляции и насыщаемого поглощения.

Ученые достигли впечатляющих результатов, разработав оптическую антенную решетку, которая фокусирует свет в наноразмерные зазоры материала, известные как горячие точки, для увеличения поглощения. Сфокусировав лазер на этих горячих точках, они заметили улучшение производительности и снижение энергопотребления.

«Графен легкий и имеет быстрое время оптического отклика, но имеет низкую скорость поглощения в монослойной форме», — сказал Яо. «Мы разработали это устройство таким образом, чтобы поглощение света в наноразмерной горячей точке можно было увеличить более чем на три порядка, что привело не только к сильному поглощению света, но и к эффектам насыщающегося поглощения. С помощью GPSMA мы создаем устройство с насыщающимся поглотителем, которое фактически может снизить энергопотребление почти на два или три порядка».

Их новая технология может открыть возможности для инфракрасной лазерной спектроскопии и высокоскоростной передачи оптических сигналов как по оптоволоконным кабелям, так и по спутниковой связи благодаря своей скорости.

«Наше устройство может работать с рекордно высокой скоростью», — сказал Яо. «Обычные насыщающиеся поглотители могут работать в наносекундном масштабе времени, но теперь мы приближаемся к примерно 60 фемтосекундам, что более чем в 100 000 раз быстрее».

GPSMA в настоящее время работает на длине волны ближнего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра. Благодаря широкому оптическому отклику графена можно расширить его спектральный охват до более длинных волн в инфракрасной области спектра, которые представляют большой интерес для молекулярной спектроскопии и оптической связи. Однако для более длинных волн традиционно сложнее получить насыщающиеся поглотители и генерировать ультракороткие лазерные импульсы. Концепция проекта GPSMA могла бы заполнить этот технологический пробел.