Comparaison du mode de transmission en masse traditionnel et des limiteurs d'impulsions en mode réflexion proposés à l'échelle nanométrique. (A et B) Configurations conventionnelles (pas à l'échelle) largement utilisées pour la limitation optique basée sur l'auto-défocalisation induite par Kerr (A) et l'absorption non linéaire de type Kerr (telle que le TPA) (B). Le premier est obtenu en insérant un milieu Kerr en vrac derrière le plan focal pour accélérer la divergence d'un faisceau gaussien incident avec une intensité élevée de sorte que seule une fraction du faisceau est autorisée à traverser une ouverture préassignée. Ce dernier est effectué en plaçant un milieu Kerr en vrac devant le plan focal pour absorber la partie de haute intensité du faisceau incident. Notez qu'un milieu Kerr en vrac distribué de manière non homogène, comme indiqué en (B), est souhaitée pour maximiser l'absorption non linéaire. (C) Limiteur optique réfléchissant récemment apparu (pas à l'échelle). Pour limiter la transmission à haute intensité, au lieu d'augmenter l'absorption (B), la réflexion du limiteur d'impulsions réfléchissant sera renforcée en raison de la résonance au-dessus du seuil d'intensité. (D) Représentation schématique du limiteur optique réfléchissant à l'échelle nanométrique (pas à l'échelle). Le film limiteur optique profondément inférieur à la longueur d'onde peut être intégré à la surface d'un composant optique existant. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay3456
Au cours des dernières décennies, les physiciens ont mené des recherches approfondies en laboratoire sur l'optique non linéaire, la physique des plasmas et la science quantique utilisant une haute intensité avancée, lasers à impulsions ultracourtes. L'utilisation accrue de la technologie risquait naturellement d'endommager les systèmes de détection optique et, par conséquent, ils ont proposé une variété de mécanismes et de dispositifs de limitation optique. La miniaturisation des dispositifs de ces conceptions tout en maintenant une intégrabilité et un contrôle supérieurs peut, cependant, devenir complexe. Dans un nouveau rapport, Haoliang Qian et une équipe de recherche en génie électrique et informatique, la science des matériaux, la chimie et le Center for Memory and Recording Research de l'Université de Californie, San Diego, NOUS., détaillé un limiteur d'impulsions en mode réflexion. Ils ont conçu l'appareil à l'aide de films réfractaires à l'échelle nanométrique en oxyde d'aluminium et en nitrure de titane pris en sandwich (Al
Un limiteur optique peut faciliter la transmission ou la réflexion linéaire en dessous d'un certain seuil d'intensité lumineuse incidente ou de puissance, et au-dessus de ce seuil, l'appareil peut maintenir la puissance optique réfléchie à une valeur accordable. Un limiteur approprié placé devant un capteur optique peut protéger le capteur et étendre sa plage de fonctionnement à des conditions plus extrêmes qu'on ne le pensait auparavant. Les limiteurs optiques passifs ont un temps de réponse rapide et sont largement utilisés pour limiter les impulsions optiques courtes. Les appareils sont constitués de matériaux présentant l'une des propriétés suivantes :propriétés optiques non linéaires, y compris la réfraction non linéaire, absorption non linéaire ou diffusion non linéaire. La plupart des processus non linéaires sont basés sur l'effet Kerr optique (caractéristique électro-optique), donnant lieu à un temps de réponse ultrarapide. Les chercheurs étudient donc des matériaux non linéaires extraordinaires de type Kerr en tant qu'élément critique pour de nouveaux limiteurs optiques passifs destinés à protéger contre les impulsions optiques ultracourtes. Les limiteurs optiques passifs de type Kerr sont généralement constitués de milieux solides ou liquides macroscopiques. Les scientifiques n'ont pas encore fait état d'un matériau ou d'un système offrant une non-linéarité suffisamment forte à l'échelle nanométrique pour faciliter un effet de limitation d'impulsion en mode réflexion.
Caractérisation spatio-temporelle des impulsions. une, Profil de faisceau de SHG généré à partir du faisceau proche infrarouge non focalisé sélectionné. b, Largeur de raie des signaux SHG d'un autocorrélateur monocoup. c, Courbe d'étalonnage de l'autocorrélateur monocoup. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay3456
Dans ce travail, Qian et al. a détaillé un limiteur optique de type Kerr à l'échelle nanométrique basé sur le système de matériaux MQW (puits quantiques métalliques) durables pour générer des impulsions femtosecondes. L'appareil contenait des matériaux réfractaires tels que le nitrure de titane (TiN) et l'oxyde d'aluminium (Al
Plusieurs sous-bandes électroniques dans les films de TiN de taille quantique permettant des coefficients de Kerr extraordinairement élevés. (A) Diagramme de bande de conduction d'un TiN MQW (à gauche) et la dispersion électronique correspondante des sous-bandes (à droite). Le niveau de Fermi EF (~4,6 eV) est représenté par la ligne pointillée. Les flèches rouges indiquent les transitions intersous-bandes monophotoniques entre les sous-bandes ∣2⟩ et ∣3⟩. (B) Dépendance de la longueur d'onde de la constante optique non linéaire n2 d'un film TiN de 2 nm d'épaisseur, mesurée par la technique du z-scan en utilisant des impulsions laser polarisées p incidentes à 45° (largeur d'impulsion 100-fs, taux de répétition de 1 kHz ; Astrelle, Cohérent) avec une intensité d'environ 70 GW/cm2. Notez qu'un moins « - » est utilisé dans la partie imaginaire du n2. La flèche rouge correspond à la longueur d'onde de transition calculée indiquée en (A), tandis que les lignes continues sont les courbes ajustées par spline. Les fluctuations de plusieurs mesures à divers endroits sont indiquées par les barres d'erreur (SD). L'encart montre une coupe transversale typique de microscopie électronique à transmission (MET) d'un film mince TiN MQW. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay3456
En raison de l'effet plasmonique du constituant TiN, des échantillons de puits quantiques métalliques présentaient une réflexion élevée semblable à un métal à un éclairage de faible intensité. Lors des mesures z-scan utilisées pour mesurer les propriétés optiques non linéaires des matériaux, l'équipe a observé un pic résonant résolu associé à la transition à photon unique (non-linéarité Kerr) entre les sous-bandes, qui était en accord avec la structure de bande calculée. Le MQW proposé a fonctionné comme un diélectrique pendant un éclairage à haute intensité pour former un premier limiteur optique en mode réflexion de l'étude, offrant un nouveau degré de liberté pour concevoir un système de limitation optique optimal. Le film mince nanométrique MQW pour un limiteur d'impulsion femtoseconde a fonctionné en mode réflexion et Qian et al. l'a intégré à la surface d'un composant optique pour simplifier la configuration de limitation optique. Ils ont obtenu une accordabilité sans précédent pour les dispositifs en empilant des MQW en tant que métamatériaux et ont obtenu un limiteur d'impulsions nanométrique polyvalent ; un élément crucial pour concevoir des systèmes optiques et photoniques compacts.
Démonstration expérimentale du limiteur d'impulsions femtoseconde nanométrique en mode réflexion utilisant des MQW à base de TiN. (A) Configuration expérimentale du limiteur d'impulsions en mode réflexion (pas à l'échelle). L'atténuateur permet de faire varier les puissances incidentes pour obtenir des courbes de limitation des impulsions. (B) Coupe transversale TEM typique d'un film mince MQW de 7 unités. La couche au-dessus des MQW est une couche protectrice utilisée uniquement pour la préparation de la section transversale TEM pendant le processus de découpe par faisceau d'ions focalisés. (C) Dépendance en intensité de la puissance réfléchie mesurée pour les échantillons avec une seule unité et 7 unités de MQW à la longueur d'onde de 1997 nm (largeur d'impulsion 100-fs, taux de répétition de 1 kHz, Rayon de faisceau de 130 µm, incidence à 45°, et polarisation p). Les lignes en pointillés montrent les courbes de réflexion linéaire correspondantes. L'intensité d'apparition de la limitation Ion est définie dans le corps du texte. Les médaillons montrent une coupe transversale TEM agrandie du film mince MQW à 7 unités (à gauche) et une image TEM haute résolution en fond noir (à droite) montrant la haute qualité de la multicouche développée. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay3456
En raison de l'ingénierie basée sur les métamatériaux, l'épaisseur des films MQW à l'échelle nanométrique a fourni une optimisation extraordinaire des performances de limitation des impulsions par rapport aux limiteurs optiques en vrac conventionnels. Des expériences supplémentaires ont révélé que la forte réponse Kerr des MQW provenait de la transition à photon unique entre des sous-bandes spécifiques. En raison des processus d'absorption à un seul photon (1PA) et à deux photons (TPA), les électrons libres au-dessus de la mer de Fermi pourraient être continuellement promus dans la configuration. Sur la base des résultats, Qian et al. pensent que les multiples transitions inter-sous-bandes observées et leur effet Kerr à large bande dans les systèmes MQW ont des effets de limitation d'impulsion similaires dans les longueurs d'onde du proche infrarouge (NIR).
Physique des non-linéarités de Kerr optiques des MQW. (A et B) Indice de réfraction nI dépendant de l'intensité extrait de la réflectivité et de la transmissivité mesurées expérimentalement ["exp" dans (A)] et ajusté par les modèles de saturation d'absorption à un photon (1PA) et d'absorption à deux photons (TPA) [ « intégrer » dans (B)]. L'encart de (B) montre des diagrammes représentant le Kerr, 1PA, et processus TPA, respectivement. L'échantillon utilisé a 7 unités de MQW, et les données sont prises à la longueur d'onde de 1997 nm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aay3456
De cette façon, Haoliang Qian et ses collègues ont démontré pour la première fois dans cette étude un film mince à limitation d'impulsion femtoseconde en mode réflexion nanométrique composé de matériaux réfractaires. Ils ont facilité la configuration en utilisant des non-linéarités Kerr optiques larges et ultrarapides des MQW intégrés. L'équipe a crédité le sans précédent, non-linéarités Kerr dépendant de l'intensité aux sous-bandes d'électrons dans le MQW. Le travail fournit un nouveau mécanisme pour concevoir des non-linéarités optiques extraordinaires et de nouvelles applications avec des options pour une optimisation plus poussée de la limitation optique non triviale et des applications en optique non linéaire et en photonique intégrée.
© 2020 Réseau Science X 
