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Nature Photonics报道五大最新研究亮点

2017年08月29日

 

厚度仅为390nm的超薄圆偏振器

可见波长范围的螺旋堆叠Al纳米光栅结构的示意图
 

韩国首尔国立大学的研究人员制作并测试了能够在整个可见光波段工作,厚度仅为390 nm的微型圆偏振器。这一成果发表于Optics Express。


该器件由一组间距为亚波长级的铝制纳米光栅组成,所有纳米光栅呈螺旋型排列,每组光栅的旋向均相对于前一组逐渐扭曲。由于该方法依赖于光栅堆叠的非共振各向异性的特性,能够同时提供高消光比和宽频带应用。研究人员测试了多达七个光栅层的堆叠性能后发现,随着光栅数量的增加,偏振片的消光比也在整个可见光范围内增加到了八倍,但是由于铝的本征损耗,整体透光率也大大降低。


该方法能够降低大规模工业生产的成本,同时小型化的优点也能够应用于移动或可穿戴成像系统。通过使用金或银等贵金属代替铝,还能够制造在近红外区域工作的偏振器。

极化子的效率高于预期
 


实验中使用的长寿命微腔结构,实验结果表明电磁极化光电子的效率可能比科学家的预期要高得多。
 

美国麻省理工学院、普林斯顿大学和匹兹堡大学的科学家们直接测量了极化子之间相互作用力的强度,并确定该相互作用力的大小比以前的理论估计值大两个数量级左右。这一发现表明,基于电磁极化子的设备将在强相互作用的状态下运行,其非线性程度可能大于理论预期。


激发极化子,又被称为刚性极化子,是在半导体光学微腔中产生的准粒子,本质上是由激子和光子之间强耦合而形成的光与物质的混合状态。迄今为止,科学家都难以准确测量其相互作用强度,因为测量实验必须能够区分极化子之间的相互作用和极化子与激子之间的相互作用。


美国的研究团队通过使用品质因数极高的光学微腔(Q=320,000)解决了这一问题,使得极化子具有很长的寿命(>200 ps)。光学微腔由夹在两个分布布拉格反射镜之间的四个砷化镓量子阱组成,当极化子传播到光学陷阱中后,被分离成自由电荷载流子和热激子,再根据光学陷阱中心的光谱数据来确定极化子之间的相互作用强度。

激光定型石墨烯光电探测器
 


激光辐照掺杂FeCl3石墨烯结构变化的拉曼光谱研究

 

石墨烯光电探测器拥有宽带宽和宽光谱响应等许多优秀性能,但是在大范围的光功率下,无机光电探测器在光谱响应的线性度方面的表现仍然是最优异的。迄今为止,圆形光电探测器的线性动态范围(LDR)已经受到载流子的热扩散以及其他影响的限制,并且限制了其在成像应用中的性能。


目前,Adolfo De Sanctis和来自英国和西班牙的研究人员合作制造了一种基于石墨烯的光电探测器,它们的LDR为44 dB,比目前使用的石墨烯器件大三个量级。同时,该探测器具有从长波紫外线到中红外线的宽光谱响应,并且在空气中足够稳定,因而不需要封装。该探测器是在四层石墨烯薄片的上三层中掺杂了FeCl3而制成的。将石墨烯暴露在强激光下(波长为532 nm,强度为15.3 MW/cm^2),使用步长为0.5 μm的光栅扫描宽度为5.5 μm的截面持续3 s,将FeCl3定型在石墨烯中。

波长可调的热电探测器
 


导模谐振热电结构的概念设计图

 

谐振亚波长纳米结构中生成的热量为设计光电探测器创造了新机会。


目前,美国加州理工学院的Kelly Mauser和同事们利用单个悬浮膜纳米结构中的共振光吸收和热电效应制造了波长可调的光电探测器。其纳米结构是由悬浮的电绝缘薄基底上的导模共振导线阵列组成的。其中,导线的规格为40 nm×100 nm×50 μm,间隔为488 nm,由热电材料碲化铋/碲化锑制成。


由于在谐振纳米光子结构中存在空间局部吸收,热电材料出现了局部升温,导致即使在光激励未聚焦的情况下,纳米结构的中心和边缘之间出现了较大的热梯度。研究团队发现,当热容较小时,其时间响应为337 μs,比常规热电探测器快10~100倍。实验还表明,新探测器可以在可见光到中红外波段调谐,并能够进行波长特异性检测,输入功率响应度高达38 V/W,频率带宽接近3 kHz。

可能存在的负折射现象
 


石墨烯等离子体极化子与氮化硼声极化子之间的面内负折射结构示意图

 

光的负折射现象对于制造有趣的光学器件,如超透镜以及其他用于引导和成像的新型光学方案而言至关重要。然而,对于电磁极化子而言,实现负折射是具有挑战性的,因为其波长更短。


目前,来自中国、美国和新加坡的研究人员预测,石墨烯/氮化硼异质结构中的等离子体极化子和声极化子可能会产生负折射现象。研究人员使用有限元模拟,预测出全角度平面内的负折射能够在22.96 THz的频率下产生,其中光学限制因子为195。当石墨烯或氮化硼被混合层代替时,通过调节石墨烯层的化学势或氮化硼层的厚度能够调整负折射产生的频率。

文章来源 中国激光

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