Μια νέα σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία Ultrashort Pulse Laser

Τα λέιζερ γίνονται αναπόσπαστο μέρος αμέτρητων συσκευών και βιομηχανιών. Όταν μια δέσμη λέιζερ αλληλεπιδρά με την επιφάνεια ενός υλικού νανοκλίμακας, εκπέμπει ένα κύμα φωτός που ονομάζεται "πλασμόνιο" (εξιτόνιο πλάσματος) και οι ιδιότητες ενός δεδομένου εξιτονίου πλάσματος μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες. Στην οπτική μετάδοση, ένα λέιζερ αντλεί φως σε ένα εξάρτημα που ονομάζεται «κορεσμένος απορροφητής» για να παράγει ένα οπτικό σήμα.
Πρόσφατα, η Yu Yao, αναπληρώτρια καθηγήτρια Ηλεκτρολόγων Μηχανικών στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, και η ερευνητική της ομάδα στο Κέντρο Φωτονικής Καινοτομίας της Πολιτείας της Αριζόνα σχεδίασαν ένα πιο γρήγορο, πιο ενεργειακά αποδοτικό στοιχείο λέιζερ νανοκλίμακας που ονομάζεται υβριδικός μεταδομημένος κορεσμένος απορροφητής γραφενίου-πλάσμα. ή GPSMA.
Το GPSMA έχει πιθανές εφαρμογές σε βιομηχανίες όπως οι επικοινωνίες, η επεξεργασία πληροφοριών, η φασματοσκοπία και η βιοϊατρική. Ο απορροφητής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ταχύτητας, της αποτελεσματικότητας και της συνολικής απόδοσης για την προώθηση της μετάδοσης δεδομένων, της επεξεργασίας πληροφοριών, της βιοϊατρικής ανίχνευσης και των τεχνολογιών απεικόνισης.
Λόγω των ευεργετικών ιδιοτήτων του στην οπτική διαμόρφωση και την κορεσμένη απορρόφηση, η ομάδα του Yu Yao ενσωμάτωσε ένα τεχνητά κατασκευασμένο υβρίδιο μετάλλου-γραφενίου στην ανάπτυξή τους.
Σε μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό ACS Nano, η Yao περιγράφει πώς το εργαστήριό της ενσωμάτωσε έναν κορεσμένο απορροφητή με βάση το γραφένιο και πώς κατάφεραν να βελτιώσουν τη συσκευή για να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας διατηρώντας ταυτόχρονα εξαιρετικά γρήγορους χρόνους απόκρισης.
Πήραν αυτά τα σημαντικά αποτελέσματα σχεδιάζοντας μια διάταξη οπτικών κεραιών που εστιάζει το φως σε κενά νανοκλίμακας στο υλικό, γνωστά ως hot spots, για να προωθήσει την απορρόφηση. Εστιάζοντας το λέιζερ σε αυτά τα καυτά σημεία, παρατήρησαν βελτιωμένη απόδοση και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας.
«Το γραφένιο είναι ελαφρύ και έχει γρήγορους χρόνους οπτικής απόκρισης, αλλά χαμηλή απορρόφηση στη μονοστρωματική του μορφή», είπε ο Yu Yao, «Σχεδιάσαμε τη συσκευή έτσι ώστε η απορρόφηση φωτός σε hotspot νανοκλίμακας να μπορεί να αυξηθεί κατά περισσότερες από τρεις τάξεις μεγέθους, παράγοντας όχι μόνο ισχυρή απορρόφηση φωτός αλλά και αποτέλεσμα απορρόφησης κορεσμού. Με το GPSMA, κατασκευάζουμε μια κορεσμένη συσκευή απορρόφησης που μπορεί πραγματικά να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας κατά σχεδόν δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους."
Με βάση τη σημαντικά αυξημένη ταχύτητά της, η νέα τεχνολογία τους θα ανοίξει νέες ευκαιρίες για φασματοσκοπία υπέρυθρου λέιζερ και επικοινωνίες οπτικού σήματος υψηλής ταχύτητας (καλώδια οπτικών ινών και δορυφορικές επικοινωνίες).
"Η συσκευή μας μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλές ταχύτητες ρεκόρ", είπε ο Yu Yao, "Οι συμβατικοί κορεσμένοι απορροφητές μπορούν να λειτουργήσουν σε χρονική κλίμακα νανοδευτερόλεπτου, αλλά τώρα μπορούμε να φτάσουμε περίπου τα 60 femtoseconds, πάνω από 100,000 φορές πιο γρήγορα από πριν. "
Το GPSMA λειτουργεί επί του παρόντος σε μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Επειδή το γραφένιο έχει ευρεία οπτική απόκριση, μπορεί να επεκτείνει τη φασματική του κάλυψη σε μεγαλύτερα μήκη κύματος στην υπέρυθρη φασματική περιοχή, κάτι που έχει σημαντικές επιπτώσεις για τη μοριακή φασματοσκοπία και τις οπτικές επικοινωνίες. Ωστόσο, για μεγαλύτερα μήκη κύματος, είναι παραδοσιακά πιο δύσκολο να επιτευχθεί κορεσμένη απορρόφηση και να δημιουργηθούν υπερμικροί παλμοί λέιζερ. Επομένως, η σχεδίαση GPSMA μπορεί να καλύψει ένα τέτοιο τεχνολογικό κενό.
Η συσκευή της ομάδας του Yu Yao έχει πιθανές εφαρμογές στους κλάδους των τηλεπικοινωνιών, της ενέργειας και της βιοϊατρικής. Τέτοιοι απορροφητές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ταχύτητας, της απόδοσης και της συνολικής απόδοσης των καλωδίων οπτικών ινών, ανοίγοντας ευκαιρίες για προηγμένη μετάδοση δεδομένων, απόδοση ηλιακών κυψελών και τεχνολογίες απεικόνισης ανίχνευσης ασθενειών.