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难熔金属量子阱促进纳米级光脉冲限制器

  • 科学
  • 2020-05-26 08:36:54
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在过去的几十年中,物理学家已经使用先进的高强度超短脉冲激光器对非线性光学,等离子体物理学和量子科学进行了深入的实验室研究。越来越多地使用该技术自然有可能损坏光学检测系统,因此他们提出了各种光学限制机制和设备。但是,在保持出色的集成性和控制性的同时,使此类设计的设备小型化可能变得复杂。在一份新报告中,钱浩亮和电气与计算机工程,材料科学,化学研究团队以及美国加州大学圣地亚哥分校的存储与记录研究中心详细介绍了反射模式脉冲限制器。2O3/ TiN / Al2O3)来建立金属量子阱(MQW)。MQW的量子尺寸效应提供了大且超快的Kerr型非线性。包含这些MQW的功能多层将在超光学,纳米光子学和非线性光学中找到新的应用,其结果现已发表在《科学进展》上。

一个光学限制器可以促进低于某一入射光强度或功率阈线性透射或反射,并高于阈值时,该装置可以保持反射光功率在一个可调参数的值。固定在光学传感器前面的限制器可以保护传感器并将其工作范围扩展到比以前认为的更极端的条件。无源光限制器具有快速的响应时间,并广泛用于限制短光脉冲。器件由具有以下特性之一的材料制成-非线性光学特性,包括非线性折射,非线性吸收或非线性散射。大多数非线性过程都基于光学Kerr效应(电光特性),从而产生了超快的响应时间。因此,研究人员研究了非凡的Kerr型非线性材料,将其作为新型无源光学限幅器的关键元件,以防止超短光脉冲。Kerr型无源光学限制器通常由大型固体或液体介质制成。科学家尚未报告能在纳米级提供足够强的非线性度以促进反射模式脉冲限制效应的材料或系统。

在这项工作中,Qian等。详细介绍了一种基于耐用的MQW(金属量子阱)材料系统的纳米Kerr型光学限制器,可产生飞秒脉冲。该设备包含耐火材料,例如氮化钛(TiN)和氧化铝(Al2O3);非常适合在蓝宝石衬底上以原子级精度开发的高强度非线性光学应用。在设置中,他们对夹在相邻介电势垒(Al2O3之间)的金属阱(TiN)中的自由电子进行了量化)。该实验布置允许受限的TiN纳米膜的电子导带分裂成子带。研究小组指出,前五个子带低于费米水平,提供了大量电子过渡。跃迁通过MQW设置的Kerr非线性影响了脉冲限制效应,并影响了多种多光子吸收过程。丰富的电子子带在纳米级耐火薄膜中实现了前所未有的脉冲限制行为。

由于组成TiN的等离子体效应,金属量子阱样品在低强度照明下表现出类似金属的高反射。在z扫描期间通过测量材料的非线性光学特性,该团队观察到一个解析的共振峰,该峰与子带之间的单光子跃迁(Kerr非线性)相关,这与计算出的能带结构一致。所提出的MQW在高强度照明过程中起电介质的作用,从而形成了首次研究的反射模式光学限制器,为设计最佳光学限制系统提供了新的自由度。飞秒脉冲限制器的纳米级薄膜MQW在反射模式下工作,Qian等人。将其集成到光学组件的表面上,以简化光学限制配置。通过将MQW堆叠为超材料,他们为设备实现了前所未有的可调性获得了通用的纳米级脉冲限制器;设计紧凑的光学和光子系统的关键要素。

由于采用超材料技术,与传统的整体光学限幅器相比,纳米级MQW薄膜的厚度提供了脉冲限制性能的非凡可调性。其他实验表明,MQW的强Kerr响应源自特定子带之间的单光子跃迁。由于单光子吸收(1PA)和双光子吸收(TPA)过程,费米海上方的自由电子可以在设置中连续提升。根据结果​​,钱等。相信在MQW系统中观察到的多个子带间过渡及其宽带Kerr效应在近红外(NIR)波长中具有类似的脉冲限制效应。

通过这种方式,钱浩亮及其同事首次在本研究中展示了一种由耐火材料制成的纳米级反射模式飞秒脉冲限制薄膜。他们使用嵌入式MQW的大而超快光学Kerr非线性来简化设置。该团队将空前的,与强度相关的Kerr非线性归功于MQW中的电子子带。这项工作为工程非凡的光学非线性和新颖的应用提供了一种新机制,并为非平凡光学限制的进一步可调性以及在非线性光学和集成光子学中的应用提供了选择。

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