Et nyt gennembrud inden for ultrakort laserpulsteknologi

Lasere er ved at blive en integreret del af utallige enheder og industrier. Når en laserstråle interagerer med overfladen af ​​et materiale i nanoskala, udsender den en bølge af lys kaldet en "plasmon" (plasma exciton), og egenskaberne af en given plasma exciton kan formidle information. Ved optisk transmission pumper en laser lys ind i en komponent kaldet en "mættelig absorber" for at producere et optisk signal.
For nylig har Yu Yao, lektor i elektroteknik ved Arizona State University, og hendes forskerhold ved Arizona State's Center for Photonics Innovation designet et hurtigere, mere energieffektivt laserelement i nanoskala kaldet en grafen-plasma hybrid meta-struktureret mættende absorber, eller GPSMA.
GPSMA har potentielle anvendelser inden for industrier som kommunikation, informationsbehandling, spektroskopi og biomedicin. Absorberen kan bruges til at forbedre hastigheden, effektiviteten og den overordnede ydeevne for at fremme datatransmission, informationsbehandling, biomedicinsk sensing og billeddannelsesteknologier.
På grund af dets gavnlige egenskaber inden for optisk modulering og mættende absorption, inkorporerede Yu Yaos team en kunstigt konstrueret metal-grafen-hybrid i deres udvikling.
I et nyligt papir offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano beskriver Yao, hvordan hendes laboratorium integrerede en grafen-baseret mættende absorber, og hvordan de formåede at forbedre enheden for at reducere strømforbruget og samtidig opretholde ultrahurtige responstider.
De opnåede disse vigtige resultater ved at designe et optisk antennearray, der fokuserer lys på nanoskala huller i materialet, kendt som hot spots, for at fremme absorption. Ved at fokusere laseren på disse hot spots, observerede de forbedret ydeevne og reduceret energiforbrug.
"Graphene er let og har hurtige optiske responstider, men lav absorption i sin monolagsform," sagde Yu Yao, "Vi designede enheden, så lysabsorptionen ved nanoskala hotspots kan øges med mere end tre størrelsesordener, hvilket ikke kun producerer stærk lysabsorption, men også mætningsabsorptionseffekt. Med GPSMA laver vi en mættelig absorptionsenhed, der faktisk kan reducere strømforbruget med næsten to til tre størrelsesordener."
Baseret på dens markant øgede hastighed vil deres nye teknologi åbne op for nye muligheder for infrarød laserspektroskopi og højhastigheds optisk signalkommunikation (fiberoptisk kabel og satellitkommunikation).
"Vores enhed kan fungere ved rekordhøje hastigheder," sagde Yu Yao, "Konventionelle mættende absorbere kan fungere på en nanosekunds tidsskala, men nu kan vi nå omkring 60 femtosekunder, mere end 100,000 gange hurtigere end før. "
GPSMA fungerer i øjeblikket ved nær-infrarøde bølgelængder på det elektromagnetiske spektrum. Fordi grafen har en bred optisk respons, kan den udvide sin spektrale dækning til længere bølgelængder i det infrarøde spektralområde, hvilket har vigtige implikationer for molekylær spektroskopi og optisk kommunikation. Men for længere bølgelængder er det traditionelt vanskeligere at opnå mættelig absorption og generere ultrakorte laserimpulser. Derfor kan GPSMA-designkonceptet udfylde et sådant teknologisk hul.
Yu Yaos teams enhed har potentielle anvendelser i telekommunikations-, energi- og biomedicinske industrier. Sådanne absorbere kunne bruges til at forbedre hastigheden, effektiviteten og den overordnede ydeevne af fiberoptiske kabler, hvilket åbner muligheder for at fremme datatransmission, solcellers ydeevne og sygdomsdetektionsbilleddannelsesteknologier.