Novo otkriće u tehnologiji ultrakratkog laserskog pulsa

Laseri postaju sastavni dio bezbrojnih uređaja i industrija. Kada laserska zraka stupa u interakciju s površinom materijala u nanorazmjerima, ona emitira val svjetlosti koji se naziva "plazmon" (plazma eksciton), a svojstva danog plazma ekscitona mogu prenijeti informacije. U optičkom prijenosu, laser pumpa svjetlost u komponentu koja se naziva "saturable absorber" za proizvodnju optičkog signala.
Nedavno su Yu Yao, izvanredna profesorica elektrotehnike na Državnom sveučilištu Arizone, i njezin istraživački tim u Centru za inovacije fotonike u državi Arizona dizajnirali brži, energetski učinkovitiji laserski element nanorazmjera nazvan grafensko-plazma hibridni meta-strukturirani zasićeni apsorber, ili GPSMA.
GPSMA ima potencijalne primjene u industrijama kao što su komunikacije, obrada informacija, spektroskopija i biomedicina. Apsorber se može koristiti za poboljšanje brzine, učinkovitosti i sveukupnih performansi za unaprjeđenje prijenosa podataka, obrade informacija, biomedicinskih senzora i tehnologija snimanja.
Zbog njegovih korisnih svojstava u optičkoj modulaciji i apsorpciji koja se može zasititi, Yu Yaov tim je u svoj razvoj uključio umjetno izrađen hibrid metala i grafena.
U nedavnom radu objavljenom u znanstvenom časopisu ACS Nano, Yao detaljno opisuje kako je njezin laboratorij integrirao zasićeni apsorber na bazi grafena i kako su uspjeli poboljšati uređaj kako bi smanjili potrošnju energije uz održavanje ultrabrzog vremena odziva.
Dobili su ove važne rezultate dizajniranjem optičkog antenskog niza koji fokusira svjetlost na nanorazmjerne praznine u materijalu, poznate kao vruće točke, kako bi se pospješila apsorpcija. Usmjerivši laser na te vruće točke, primijetili su poboljšane performanse i smanjenu potrošnju energije.
"Grafen je lagan i ima brzo vrijeme optičkog odziva, ali ima nisku apsorpciju u svom monoslojnom obliku," rekao je Yu Yao, "Dizajnirali smo uređaj tako da se apsorpcija svjetla na žarišnim točkama na nanosmjeru može povećati za više od tri reda veličine, proizvodeći ne samo jaka apsorpcija svjetla, ali i učinak apsorpcije zasićenja. S GPSMA-om izrađujemo uređaj za zasićenu apsorpciju koji zapravo može smanjiti potrošnju energije za gotovo dva do tri reda veličine."
Na temelju značajno povećane brzine, njihova nova tehnologija otvorit će nove mogućnosti za infracrvenu lasersku spektroskopiju i komunikaciju optičkim signalom velike brzine (svjetlovodne kabelske i satelitske komunikacije).
"Naš uređaj može raditi rekordno velikim brzinama," rekao je Yu Yao, "Konvencionalni apsorberi koji se mogu zasićiti mogu raditi na vremenskoj skali nanosekunde, ali sada možemo doseći oko 60 femtosekundi, više od 100000 puta brže nego prije. "
GPSMA trenutno radi na valnim duljinama bliskim infracrvenom u elektromagnetskom spektru. Budući da grafen ima širok optički odziv, može proširiti svoju spektralnu pokrivenost na veće valne duljine u infracrvenom spektralnom području, što ima važne implikacije za molekularnu spektroskopiju i optičke komunikacije. Međutim, za veće valne duljine, tradicionalno je teže postići zasićenu apsorpciju i generirati ultrakratke laserske impulse. Stoga koncept dizajna GPSMA može popuniti takvu tehnološku prazninu.
Uređaj tima Yu Yao ima potencijalne primjene u telekomunikacijskoj, energetskoj i biomedicinskoj industriji. Takvi apsorberi mogli bi se koristiti za poboljšanje brzine, učinkovitosti i ukupne izvedbe optičkih kabela, otvarajući mogućnosti za unapređenje prijenosa podataka, performansi solarnih ćelija i slikovnih tehnologija za otkrivanje bolesti.