Nov preboj v tehnologiji ultrakratkih laserskih impulzov

Laserji postajajo sestavni del neštetih naprav in industrij. Ko laserski žarek interagira s površino materiala v nanometru, oddaja val svetlobe, imenovan "plazmon" (plazemski eksciton), lastnosti danega plazemskega ekscitona pa lahko posredujejo informacije. Pri optičnem prenosu laser črpa svetlobo v komponento, imenovano "nasičen absorber", da proizvede optični signal.
Pred kratkim sta Yu Yao, izredna profesorica elektrotehnike na Državni univerzi Arizona, in njena raziskovalna skupina v Centru za inovacije v fotoniki zvezne države Arizona zasnovali hitrejši in energetsko učinkovitejši laserski element nanometrskega merila, imenovan grafensko-plazemski hibridni metastrukturirani nasičeni absorber, ali GPSMA.
GPSMA ima potencialne aplikacije v panogah, kot so komunikacije, obdelava informacij, spektroskopija in biomedicina. Absorber se lahko uporablja za izboljšanje hitrosti, učinkovitosti in splošne zmogljivosti za napredek prenosa podatkov, obdelave informacij, biomedicinskega zaznavanja in tehnologij slikanja.
Zaradi svojih koristnih lastnosti pri optični modulaciji in nasičeni absorpciji je Yu Yaova ekipa v svoj razvoj vključila umetno izdelan hibrid kovine in grafena.
V nedavnem članku, objavljenem v znanstveni reviji ACS Nano, Yao podrobno opisuje, kako je njen laboratorij integriral nasičen absorber na osnovi grafena in kako jim je uspelo izboljšati napravo za zmanjšanje porabe energije ob ohranjanju ultra hitrih odzivnih časov.
Te pomembne rezultate so pridobili z oblikovanjem optičnega antenskega niza, ki fokusira svetlobo na nanometrske vrzeli v materialu, znane kot vroče točke, za spodbujanje absorpcije. Z osredotočanjem laserja na te vroče točke so opazili izboljšano delovanje in zmanjšano porabo energije.
"Grafen je lahek in ima hitre optične odzivne čase, vendar ima nizko absorpcijo v svoji enoslojni obliki," je dejal Yu Yao, "Napravo smo zasnovali tako, da se lahko absorpcija svetlobe na vročih točkah v nanometrskem merilu poveča za več kot tri velikostne rede, kar ne proizvaja le močna absorpcija svetlobe, pa tudi učinek absorpcije nasičenosti. Z GPSMA izdelujemo napravo za nasičenje, ki lahko dejansko zmanjša porabo energije za skoraj dva do tri stopnje velikosti."
Na podlagi znatno povečane hitrosti bo njihova nova tehnologija odprla nove priložnosti za infrardečo lasersko spektroskopijo in visoke hitrosti optičnih signalnih komunikacij (optične kable in satelitske komunikacije).
"Naša naprava lahko deluje pri rekordno visokih hitrostih," je dejal Yu Yao, "Konvencionalni nasičeni absorberji lahko delujejo na nanosekundni časovni lestvici, zdaj pa lahko dosežemo približno 60 femtosekund, kar je več kot 100,000-krat hitreje kot prej. "
GPSMA trenutno deluje na skoraj infrardečih valovnih dolžinah elektromagnetnega spektra. Ker ima grafen širok optični odziv, lahko razširi svojo spektralno pokritost na daljše valovne dolžine v infrardečem spektralnem območju, kar ima pomembne posledice za molekularno spektroskopijo in optične komunikacije. Vendar pa je pri daljših valovnih dolžinah tradicionalno težje doseči nasičeno absorpcijo in ustvariti ultrakratke laserske impulze. Zato lahko koncept oblikovanja GPSMA zapolni takšno tehnološko vrzel.
Naprava ekipe Yu Yao ima potencialne aplikacije v telekomunikacijski, energetski in biomedicinski industriji. Takšne absorberje bi lahko uporabili za izboljšanje hitrosti, učinkovitosti in splošne učinkovitosti kablov iz optičnih vlaken, s čimer bi odprli priložnosti za napredek prenosa podatkov, zmogljivosti sončnih celic in slikovnih tehnologij za odkrivanje bolezni.