Nachricht

Jun 15, 2023

Forscher entwickeln Graphen

Forscher der Arizona State University (ASU) haben ein Designkonzept für einen verbesserten sättigbaren Absorptionseffekt vorgestellt, das auf einer Hybrid-Graphen-Plasmonen-Metaoberfläche mit einer Dicke im Subwellenlängenbereich (<1/5λ0) basiert

Forscher der Arizona State University (ASU) haben ein Designkonzept für einen verbesserten sättigbaren Absorptionseffekt vorgestellt, das auf hybriden Graphen-Plasmonen-Metaoberflächenstrukturen mit einer Dicke unterhalb der Wellenlänge (<1/5λ0) im Infrarotwellenlängenbereich basiert. Yu Yao und ihr Forschungsteam am ASU Center for Photonics Innovation entwickelten eine schnellere und energieeffizientere nanoskalige Laserkomponente namens GPSMA, den Graphen-Plasmonischen Hybrid-Metastruktur-Sättigungsabsorber.

Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse des Teams zeigten, dass man durch die Anregung von Nichtgleichgewichtsträgern innerhalb nanoskaliger Hotspots nicht nur die sättigbare Absorption in Graphen verbessern, sondern auch die Sättigungsfluenz um mehr als drei Größenordnungen (von ∼1 mJ/cm2 auf ∼100) reduzieren konnte nJ/cm2). Ihre Pump-Probe-Messergebnisse deuten auf eine ultrakurze Erholungszeit der Sättigungsabsorption (<60 fs) hin, die letztendlich durch die Relaxationsdynamik der photoangeregten Träger in Graphen bestimmt wird. Basierend auf den Ergebnissen der Autokorrelationsmessung beobachteten sie auch Pulsverengungseffekte in den Geräten. Solche Designkonzepte können durch Strukturtechnik so angepasst werden, dass sie in breiteren Wellenlängenbereichen bis hin zum mittleren und fernen Infrarot-Spektralbereich funktionieren. Diese ultraschnellen, sättigbaren Absorberdesigns mit niedriger Sättigungsfluenz können kompakte, selbststartende modengekoppelte Laser mit niedrigem Schwellenwert, Laserimpulsformung und optische Informationsverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen.

Laser erzeugen schmale Lichtstrahlen. Wenn das Licht des Lasers mit der Oberfläche eines Materials im Nanomaßstab interagiert, sendet es eine Lichtwelle aus, die als Plasmon bekannt ist, und die Eigenschaften eines bestimmten Plasmons können Informationen signalisieren. Bei der optischen Übertragung pumpt ein Laser Licht auf eine Komponente, die als sättigbarer Absorber bezeichnet wird, um ein optisches Signal zu erzeugen.

Das kürzlich vom Team entwickelte GPSMA bietet potenzielle Anwendungen in den Bereichen Kommunikation, Informationsverarbeitung, Spektroskopie und biomedizinische Industrie. Der Absorber kann zur Verbesserung der Geschwindigkeit, Effizienz und Gesamtleistung eingesetzt werden, um Datenübertragung, Informationsverarbeitung, biomedizinische Sensorik und Bildgebungstechnologien voranzutreiben.

Yaos Team hat in seine Arbeit ein künstlich hergestelltes Metall-Graphen-Hybridmaterial einbezogen, da es vorteilhafte Eigenschaften bei der optischen Modulation und der sättigbaren Absorption aufweist.

Die Wissenschaftler erzielten ihre beeindruckenden Ergebnisse, indem sie ein optisches Antennenarray entwickelten, das Licht in die nanoskaligen Lücken des Materials, sogenannte Hotspots, fokussiert, um die Absorption zu steigern. Durch die Fokussierung des Lasers auf diese Hotspots beobachteten sie eine verbesserte Leistung und einen geringeren Energieverbrauch.

„Graphen ist leicht und hat eine schnelle optische Reaktionszeit, weist jedoch in Monoschichtform eine geringe Absorptionsrate auf“, sagte Yao. „Wir haben dieses Gerät so konzipiert, dass die Lichtabsorption im nanoskaligen Hotspot um mehr als drei Größenordnungen erhöht werden kann, was nicht nur zu einer starken Lichtabsorption, sondern auch zu sättigbaren Absorptionseffekten führt.“ Mit GPSMA stellen wir ein sättigbares Absorbergerät her, das den Stromverbrauch tatsächlich um fast zwei oder drei Größenordnungen reduzieren könnte.“

Ihre neue Technik könnte aufgrund ihrer Geschwindigkeit Möglichkeiten für die Infrarot-Laserspektroskopie und die schnelle optische Signalkommunikation sowohl mit Glasfaserkabeln als auch mit Satellitenkommunikation eröffnen.

„Unser Gerät kann mit Rekordgeschwindigkeit arbeiten“, sagte Yao. „Herkömmliche sättigbare Absorber können im Nanosekundenbereich arbeiten, aber jetzt erreichen wir etwa 60 Femtosekunden, was über 100.000 Mal schneller ist.“

GPSMA wird derzeit im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums betrieben. Dank der breiten optischen Reaktion von Graphen ist es möglich, seine spektrale Abdeckung auf längere Wellenlängen im Infrarot-Spektralbereich auszudehnen, die für die molekulare Spektroskopie und die optische Kommunikation von großem Interesse sind. Bei längeren Wellenlängen ist es jedoch herkömmlicherweise schwieriger, sättigbare Absorber zu erreichen und ultrakurze Laserpulse zu erzeugen. Das GPSMA-Designkonzept könnte diese technologische Lücke schließen.