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Jun 15, 2023

Des chercheurs développent du graphène

Des chercheurs de l'Arizona State University (ASU) ont présenté un concept de conception pour un effet d'absorption saturable amélioré basé sur une métasurface hybride graphène-plasmonique d'une épaisseur inférieure à la longueur d'onde (<1/5λ0).

Des chercheurs de l’Arizona State University (ASU) ont présenté un concept de conception pour un effet d’absorption saturable amélioré basé sur des structures métasurfaces hybrides graphène-plasmonique d’épaisseur inférieure à la longueur d’onde (<1/5λ0) dans les longueurs d’onde infrarouges. Yu Yao et son équipe de recherche du Centre ASU pour l'innovation photonique ont conçu un composant laser à l'échelle nanométrique plus rapide et plus économe en énergie appelé absorbeur saturable à métastructure hybride graphène-plasmonique, connu sous le nom de GPSMA.

Les résultats théoriques et expérimentaux de l'équipe ont démontré qu'en excitant des porteurs hors équilibre à l'intérieur de points chauds à l'échelle nanométrique, on pouvait non seulement améliorer l'absorption saturable dans le graphène, mais également réduire la fluence de saturation de plus de 3 ordres de grandeur (de ∼1 mJ/cm2 à ∼100). nJ/cm2). Les résultats de leurs mesures pompe-sonde suggèrent un temps de récupération d'absorption saturable ultracourt (<60 fs), qui est finalement déterminé par la dynamique de relaxation des porteurs photoexcités dans le graphène. Ils ont également observé des effets de rétrécissement du pouls dans les appareils sur la base des résultats des mesures d'autocorrélation. De tels concepts de conception peuvent être adaptés via l’ingénierie structurelle pour fonctionner dans des plages de longueurs d’onde plus larges, jusqu’aux régions spectrales de l’infrarouge moyen et lointain. Ces conceptions d'absorbeurs saturables à fluence ultrarapides à faible saturation peuvent permettre des lasers à faible seuil, compacts et à démarrage automatique, une mise en forme d'impulsion laser et un traitement optique de l'information à grande vitesse.

Les lasers produisent des faisceaux de lumière étroits. Lorsque la lumière du laser interagit avec la surface d'un matériau à l'échelle nanométrique, elle émet une onde de lumière appelée plasmon, et les attributs d'un plasmon donné peuvent signaler des informations. En transmission optique, un laser pompe la lumière sur un composant appelé absorbeur saturable pour générer un signal optique.

Le GPSMA récemment développé par l'équipe a des applications potentielles dans les secteurs de la communication, du traitement de l'information, de la spectroscopie et du biomédical. L'absorbeur peut être utilisé pour améliorer la vitesse, l'efficacité et les performances globales afin de faire progresser les technologies de transmission de données, de traitement de l'information, de détection biomédicale et d'imagerie.

L'équipe de Yao a incorporé un matériau hybride métal-graphène artificiellement conçu dans son travail en raison de ses caractéristiques bénéfiques en matière de modulation optique et d'absorption saturable.

Les scientifiques ont obtenu des résultats impressionnants en concevant un réseau d’antennes optiques qui concentre la lumière dans les espaces nanométriques du matériau, appelés points chauds, pour stimuler l’absorption. En focalisant le laser sur ces points chauds, ils ont observé une amélioration des performances et une diminution de la consommation d’énergie.

"Le graphène est léger et a un temps de réponse optique rapide, mais a un faible taux d'absorption sous forme monocouche", a déclaré Yao. « Nous avons conçu ce dispositif de manière à ce que l'absorption de la lumière dans le point chaud à l'échelle nanométrique puisse être augmentée de plus de trois ordres de grandeur, ce qui entraîne non seulement une forte absorption de la lumière, mais également des effets d'absorption saturables. Avec le GPSMA, nous fabriquons un dispositif à absorbeur saturable qui pourrait réellement réduire la consommation d’énergie de près de deux ou trois ordres de grandeur.

Leur nouvelle technique pourrait ouvrir des opportunités pour la spectroscopie laser infrarouge et la communication de signaux optiques à grande vitesse avec des câbles à fibres optiques et des communications par satellite en raison de sa vitesse.

"Notre appareil peut fonctionner à une vitesse record", a déclaré Yao. "Les absorbeurs saturables conventionnels peuvent fonctionner à des échelles de temps nanosecondes, mais nous arrivons désormais à environ 60 femtosecondes, ce qui est plus de 100 000 fois plus rapide."

Le GPSMA fonctionne actuellement dans le proche infrarouge sur le spectre électromagnétique. Grâce à la large réponse optique du graphène, il est possible d’étendre sa couverture spectrale à des longueurs d’onde plus longues dans la région spectrale infrarouge, qui présentent un grand intérêt pour la spectroscopie moléculaire et les communications optiques. Cependant, pour les longueurs d’onde plus longues, il est classiquement plus difficile d’obtenir des absorbeurs saturables et de générer des impulsions laser ultracourtes. Le concept de conception GPSMA pourrait combler cette lacune technologique.