فراسطوح به قفل‌ شدگی مدی لیزرها کمک می‌کنند

به‌کارگیری فراسطح در لیزرهای فیبری تا کاواک لیزرهای حالت‌ جامد، برای قفل مد برای عملکرد پهن باند لیزر در حال گسترش است. جذب‌کننده‌های اشباع‌پذیر فراسطحی می‌توانند برای قفل‌کردن مد چندمنظوره که امکان دسترسی به پالسهای لیزر فوق کوتاه پایدار با نرخ تکرار زیاد و قله توان بالا را که به صورت پهن‌باند فراهم می‌کند، کاربرد داشته باشند.

جذب اشباع یک پدیده اپتیک غیر خطی است که براساس آن ثابت‌های جذب مواد با افزایش شدت نور ورودی کاهش می‌یابد، بنابراین زیر تابش شدید نور، ماده شفاف می‌شود. موادی که این پدیده را نشان می‌دهند با عنوان جاذب‌های اشباع‌پذیر[1] خوانده می‎شوند. جاذب‌های اشباع‌پذیر به‌طور گسترده به‌­­­عنوان عناصر قفل‌کننده مد غیرفعال برای تولید پالس لیزرهای فوق‌کوتاه در کاواک‌های لیزر استفاده می‌شود. اگرچه بسیاری از مواد دارای خواص جذب اشباع‌پذیر هستند (گاهی اوقات با شدت نوری بسیار بالا)، اما یک جاذب اشباع‌پذیر واقعی با سه پارامتر اصلی مشخص می شود: عمق مدولاسیون، شدت اشباع و تلفات غیر اشباع. آینه‌های جاذب اشباع‌پذیر نیمه‌رسانا[2] سنتی‌ترین جاذب‌های اشباع‌پذیری هستند که معمولاً در لیزرهای فیبری و حالت‌جامد استفاده می‌شوند. کریستال‌های آلاییده یونی نوع دیگری از جاذب‎های اشباع‌پذیر هستند که غالباً در کاربردهای قفل ‌ مدی وکلیدزنی  Q مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌هرحال این جاذب‌های سنتی به طول موج حساس هستند و از پهنای باند مدولاسیون باریک رنج می‌برند. اخیراً مواد دو بعدی مثل گرافن، دی کلکوژنیدهای فلز انتقالی[3]، فسفر سیاه، عایق‌های توپولوژیکی و کربیدها و نیتریدهای فلزانتقالی دو بعدی[4] به عنوان‌ جایگزین‌های جاذب‌های اشباع‌پذیر سنتی، بسیار مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. به رغم خواص جذب اشباع‌پذیر عالی، که شامل یک زمان بازیابی فوق سریع، عمق مدولاسیون بی نقص و جذب پهن باند می‌شود، برخی کاستی‌ها، منحصر به هر گروه از مواد، وجود دارند که سازگاری مواد دو بعدی را برای استفاده عملی در لیزرهای حالت قفل شده محدود می کند. برای نمونه گرافن از عمق مدولاسیون کم و اتلاف‌های غیراشباعی بزرگ رنج می‌برد. به‌طور مشابه، فسفر سیاه دارای بی‎ثباتی سطحی بالایی در محیط جو است و به‌سرعت تخریب می‌شود. بنابراین تلاش‌هایی برای یافتن روش‌های نوین ساخت جاذب‌های اشباع‌پذیر چندکاره، پویا و کارا و مقرون به‌صرفه در جریان است. در این زمینه، فراسطوح که مزیت آزادی طراحی دلخواه را در کنار امکان انتخاب مواد گسترده دارند به یک جایگزین برتر تبدیل می‌شوند.

فراسطوح شامل آنتن‌های دی‌الکتریک، متالیک زیر طول موج (فرااتم‌ها[5]) هستند که می‌توانند یک زیرساخت چندمنظوره را برای کنترل دستی توزیع نور و برهمکنش ماده با نور فراهم کنند. منحصر به‌فرد بودن آن‌ها در همبستگی فاز، دامنه، پلاریزاسیون و پاسخ‌های طیفی نور در مقیاس زیر طول موج با وضوح فضایی بسیار بالای استثنایی که آن‌ها را گزینه بی مانند برای تحقیقات نانوفوتونیک می‌کند. با انتخاب مناسب هندسه نانو آنتن (به ویژه هندسه ناهمسانگرد تحت نوردهی‌‌های قطبش‌ مختلف)، مکان‌های فضایی آن‌ها روی یک سطح و مواد مورد استفاده در تولید آن‌ها، می توان رفتار تشدید آنها را تنظیم کرد؛ که به معنای تغییر در انتقال، بازتاب، جذب و انتشار است. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیر روشهای ساخت نانو مواد چهارچوب‌ تجربی بحث‌های مهمی مثل شکل‌دهی جبهه موج، اوج‌گیری در پراش و بازده تبدیل و تطبیق فاز غیرخطی در زمینه نانوفوتونیک، را بسیار گسترش داده است. در نتیجه عملکرد فراسطوح تقریباً در هر بخشی از اپتیک خطی و غیرخطی، شامل کاربردهای اپتیک کوانتومی و شکل‌دهی فازی دمایی توسعه یافته است. در گذشته، نانو ساختارهای پلاسمونیک برای مطالعات جذب غیرخطی خواص مقیاس زمانی زیر پیکوثانیه، مثل دینامیک الکترون گرم، جذب عبوری و جذب اشباع‌پذیری با دستکاری تشدیدهای پلاسمونی سطحی مورد استفاده قرار می‌گرفت. نتایج نشان می‌داد که فراسطوح ساخته شده از نانوساختارهای پلاسمونیک قابلیت جاذب اشباع پذیر بودن را برای قفل‌شدگی مدی غیرفعال در کاواک لیزر دارند.

در  مقاله تازه منتشر شده توسط ونگ و همکارانش موفق به نمایش قفل شدگی مدی با جاذب‌های اشباع‎پذیر  با استفاده از فراسطوح پلاسمونیک شده است. در این مقاله عملکرد مدولاسیون بهتری از مواد دوبعدی و جاذب‌های اشباع‌پذیر سنتی عرضه می‌شود. برای تحقق این قابلیت‌ها، جاذب اشباع پذیر فراسطحی در یک کاواک لیزر فیبری یکپارچه شده است تا در حالت پالسی کار کند. جاذب‌های اشباع‌پذیر فراسطحی از نانومیله‌های طلا با هندسه بهینه که در یک شبکه‌ مستطیلی ردیف شده‌اند، ساخته شده است. این نانو میله‌های طلای کوچک برای ایجاد قطبش نور به موازات محورهای بلند خود فراهم می‌شوند، آن‌ها یک رزونانس پلاریتون پلاسمون موضعی را ایجاد می کنند که با طول موج ورودی لیزر مطابقت دارد. در کار مذکور برای اشباع کردن جذب آرایه نانومیله‌های طلا از لیزر پالسی 1555 نانومتر، مدت زمان پالس 500 پیکوثانیه، نرخ تکرار100 کیلوهرتز و توان خروجی میانگین 100 میلی وات مربوط با قله توان 2 کیلو وات استفاده شده‌ است. در این آزمایش عمق مدولاسیون ماکزیمم ~60% در تشدید پلاسمونیک نانومیله‌های مربوطه با آستانه‌ی اشباع ~50 میلی وات به‌دست آمده است. عمق مدولاسیون گزارش شده، به وضوح نسبت به گزارش‌های قبلی متون نوشته شده برای همه مواد دو بعدی، نانومیله‎های طلای کلوییدی و آینه‌های جاذب اشباع‎پذیر نیمه‌رسانا بیشتر است. براساس نتایج نویسندگان چنان بر می‌آید که جذب غیرخطی ارتباط مستقیمی با تشدیدهای پلاسمونیک آرایه نانو میله دارد. بنابراین نه تنها تشدیدهای تک نانو لوله‌ها  بلکه جفت‌شدگی آن‌ها باهم به سبب تشدید شبکه نقش مهمی ایفا می‌کند. به‌علاوه، محققان این ‌کار فراسطوح اشباع‌پذیر را در کاواک لیزر فیبری برای تولید پالس لیزر فوق کوتاه یکپارچه کردند. با استفاده از یک طول کاواک 7 و نیم متری متشکل از یک فیبر سیلیس تک‌مد استاندارد با یک پراکندگی رنگی خالص غیرعادی، آن‌ها به حالت‌های قفل شده پایدار برای تولید مولکول‌های سالیتون یا سالیتون‌های فوق کوتاه، دست یافتند و یک قطار پالس 729 فمتوثانیه با نرخ تکرار 2/28 مگاهرتز و نسبت سیگنال به نویز بزرگ 75 دسی بل را به نمایش گذاشتند.

براساس قابلیت عظیم فراسطوح برای دستکاری نور (شکل 1)، این روند نگاهی اجمالی به سیستم‌ها و کاربردهایی دارد که فراسطوح پلاسمونیک می‌توانند منجر به پیشرفت عملکرد در آن‌ها شود. به علاوه نیاز است تحقیقات به سمتی پیش رود که به شناسایی چالش‌های مهم متعدد مرتبط با کارکرد جاذب اشباع‌پذیر فراسطحی برای قفل‌شدن مد منجر شود. این چالش‌ها مرتبط با تحقق جاذب‎های اشباع‌پذیر فراسطحی با یک گستره طیفی وسیع، نرخ تکرار بالا، زمان استراحت سریع حامل‌های برانگیختگی و آستانه آسیب بالا هستند. تمام این خواص برای دستیابی به پالسهای فوق کوتاه پایدار با نرخ تکرار بالا که دارای قله توان بالایی هستند حیاتی هستند. محدودیت اصلی این فراسطح‌های پلاسمونیک شامل اتلاف‎های خیلی زیاد و گرم شدن حرارتی اجتناب ناپذیر تا آستانه آسیب‌های نوری است. برخی از این چالش‌ها با استفاده از فراسطوح دی‌الکتریک یا ترکیبات دی‌الکتریک و فلز قابل حل هستند. فراسطوحی که از نانوساختارهای دی‌الکتریک ساخته ‌شده‌اند می‌توانند گستره وسیعی از مدهای فضایی (تشدید‌ها) را پشتیبانی کنند و قابلیت کارکردن با شدت‌های میدان نوری بسیار بالاتر را دارند. برانگیختگی و عملکرد درونی مدهای تشدید چندقطبی در این نانوساختارها می‌تواند راهی به سوی دستیابی به افزایش میدان مطلوب برای تنظیم جذب فضایی به نواحی آلاییده را فراهم نماید. علاوه بر این ترکیبی از نانوساختارهای دی‌الکتریک و فلزی ممکن است کارآمدی مدهای ترکیبی به شدت جایگزیده را بهبود بخشد. به این ترتیب جاذب‌های اشباع‎پذیر فراسطحی می‌تواند به روشی چند منظوره و ارزان قیمت برای تحقق قفل شدگی مدی غیرفعال و کلیدزنی Q در سیستم‌های لیزر فیبرنوری با پالس فوق‌کوتاه و حالت‌جامد تبدیل شود.

 

 

 

شبیه‌سازی طرحواره یک فراسطح پلاسمونیک با نانومیله‌های طلای مرتب شده به‌صورت متناوب برای استفاده به‌عنوان جاذب اشباع‌پذیر

اشباع سریع جذب نور توسط نانومیله‌های پلاسمونیک ناشی از جفت شدگی مدهای کاواک لیزر یک پالس کوتاه را تشکیل می‌دهد.

 

 

Source: https://www.nature.com/articles/s41377-020-0312-1#Fig1

[1] Saturable Absorbers (SAs)

[2] Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAMs)

[3] Transition-Metal Dichalcogenides (TMDs)

[4]  2D Transition Metal Carbides and Nitrides (MXenes)

[5] Meta-Atoms