Satu Terobosan Baru dalam Teknologi Denyutan Laser Ultrashort

Laser menjadi sebahagian daripada peranti dan industri yang tidak terkira banyaknya. Apabila pancaran laser berinteraksi dengan permukaan bahan berskala nano, ia mengeluarkan gelombang cahaya yang dipanggil "plasmon" (plasma exciton), dan sifat exciton plasma tertentu boleh menyampaikan maklumat. Dalam penghantaran optik, laser mengepam cahaya ke dalam komponen yang dipanggil "penyerap tepu" untuk menghasilkan isyarat optik.
Baru-baru ini, Yu Yao, profesor madya kejuruteraan elektrik di Arizona State University, dan pasukan penyelidiknya di Pusat Inovasi Fotonik Arizona State telah mereka bentuk elemen laser skala nano yang lebih pantas dan lebih cekap tenaga dipanggil penyerap tepu berstruktur meta hibrid graphene-plasma, atau GPSMA.
GPSMA mempunyai aplikasi yang berpotensi dalam industri seperti komunikasi, pemprosesan maklumat, spektroskopi dan bioperubatan. Penyerap boleh digunakan untuk meningkatkan kelajuan, kecekapan dan prestasi keseluruhan untuk memajukan penghantaran data, pemprosesan maklumat, penderiaan bioperubatan dan teknologi pengimejan.
Oleh kerana sifat berfaedahnya dalam modulasi optik dan penyerapan tepu, pasukan Yu Yao menggabungkan hibrid logam-grafena buatan kejuruteraan dalam pembangunan mereka.
Dalam makalah baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal saintifik ACS Nano, Yao memperincikan cara makmalnya menyepadukan penyerap tepu berasaskan graphene dan cara mereka berjaya menambah baik peranti untuk mengurangkan penggunaan kuasa sambil mengekalkan masa tindak balas yang sangat pantas.
Mereka memperoleh keputusan penting ini dengan mereka bentuk tatasusunan antena optik yang memfokuskan cahaya pada celah skala nano dalam bahan, yang dikenali sebagai titik panas, untuk menggalakkan penyerapan. Dengan memfokuskan laser pada titik panas ini, mereka memerhatikan prestasi yang lebih baik dan mengurangkan penggunaan tenaga.
"Grapene adalah ringan dan mempunyai masa tindak balas optik yang cepat, tetapi penyerapan rendah dalam bentuk monolayernya," kata Yu Yao, "Kami mereka bentuk peranti supaya penyerapan cahaya pada titik panas skala nano boleh ditingkatkan lebih daripada tiga pesanan magnitud, menghasilkan bukan sahaja penyerapan cahaya yang kuat tetapi juga kesan penyerapan tepu. Dengan GPSMA, kami membuat peranti penyerapan boleh tepu yang sebenarnya boleh mengurangkan penggunaan kuasa hampir dua hingga tiga urutan magnitud."
Berdasarkan kelajuannya yang meningkat dengan ketara, teknologi baharu mereka akan membuka peluang baharu untuk spektroskopi laser inframerah dan komunikasi isyarat optik berkelajuan tinggi (kabel gentian optik dan komunikasi satelit).
"Peranti kami boleh beroperasi pada rekod kelajuan tinggi," kata Yu Yao, "Penyerap tepu konvensional boleh beroperasi pada skala masa nanosaat, tetapi kini kami boleh mencapai kira-kira 60 femtosaat, lebih daripada 100,000 kali lebih pantas daripada sebelumnya. "
GPSMA kini beroperasi pada panjang gelombang dekat inframerah pada spektrum elektromagnet. Oleh kerana graphene mempunyai tindak balas optik yang luas, ia boleh memanjangkan liputan spektrumnya kepada panjang gelombang yang lebih panjang di kawasan spektrum inframerah, yang mempunyai implikasi penting untuk spektroskopi molekul dan komunikasi optik. Walau bagaimanapun, untuk panjang gelombang yang lebih panjang, secara tradisinya lebih sukar untuk mencapai penyerapan tepu dan menjana denyutan laser ultrashort. Oleh itu, konsep reka bentuk GPSMA boleh mengisi jurang teknologi sedemikian.
Peranti pasukan Yu Yao mempunyai aplikasi yang berpotensi dalam industri telekomunikasi, tenaga dan bioperubatan. Penyerap sedemikian boleh digunakan untuk meningkatkan kelajuan, kecekapan dan prestasi keseluruhan kabel gentian optik, membuka peluang untuk memajukan penghantaran data, prestasi sel suria dan teknologi pengimejan pengesanan penyakit.