由难熔金属量子阱促进的纳米级光脉冲限制器

在过去的几十年里，物理学家使用先进的高强度超短脉冲激光器对非线性光学、等离子体物理和量子科学进行了深入的实验室研究。该技术的增加使用自然有损坏光学检测系统的风险，因此他们提出了各种光学限制机制和设备。然而，这种设计的设备小型化同时保持卓越的集成性和控制可能会变得复杂。在一份新报告中，Haoliang Qian 和加利福尼亚大学圣地亚哥分校电气和计算机工程、材料科学、化学和存储与记录研究中心的研究团队详细介绍了一种反射模式脉冲限制器。2 O 3 /TiN/Al 2 O 3 ) 以构建金属量子阱(MQW)。MQW 的量子尺寸效应提供了大而超快的克尔型非线性。包含这些 MQW 的功能性多层膜将在元光学、纳米光子学和非线性光学中找到新的应用，结果现已发表在Science Advances 上。

一个光学限制器可以促进低于某一入射光强度或功率阈线性透射或反射，并高于阈值时，该装置可以保持反射光功率在一个可调参数的值。放置在光学传感器前面的适当限制器可以保护传感器并将其工作范围扩展到比以前想象的更极端的条件。无源光限幅器具有快速响应时间，广泛用于限制短光脉冲。这些器件由具有以下特性之一的材料制成 -非线性光学特性，包括非线性折射、非线性吸收或非线性散射. 大多数非线性过程基于光学克尔效应(电光特征)，从而产生超快的响应时间。因此，研究人员研究了非凡的克尔型非线性材料，将其作为新型无源光限幅器的关键元件，以防止超短光脉冲。克尔型无源光限幅器一般由宏观固体或液体介质制成。科学家们尚未报告在纳米尺度上提供足够强非线性以促进反射模式脉冲限制效应的材料或系统。

在这项工作中，钱等人。详细介绍了一种基于耐用 MQW(金属量子阱)材料系统的纳米级克尔型光学限幅器，以生成飞秒脉冲。该装置包含耐火材料，例如氮化钛(TiN)和氧化铝(Al 2 O 3);非常适合在具有原子级精度的蓝宝石衬底上开发的高强度非线性光学应用。在设置中，他们量化了夹在相邻介电势垒 (Al 2 O 3)。这种实验安排允许受限的 TiN 纳米膜的电子导带分裂成子带。该团队注意到前五个子带低于费米能级，提供了丰富的电子跃迁。跃迁通过 MQW 设置的克尔非线性导致脉冲限制效应，并影响各种多光子吸收过程。丰富的电子子带在纳米级耐火薄膜中实现了前所未有的脉冲限制行为。

由于成分 TiN的等离子体效应，金属量子阱样品在低强度照明下表现出类似金属的高反射。在z 扫描期间用于测量材料非线性光学特性的测量，该团队观察到与子带之间的单光子跃迁(克尔非线性)相关的解析共振峰，这与计算的能带结构一致。所提出的 MQW 在高强度照明期间充当电介质，以形成研究中的第一个反射模式光学限幅器，为设计最佳光学限幅系统提供了新的自由度。用于飞秒脉冲限制器的纳米级薄膜 MQW 在反射模式下工作，Qian 等人。将其集成到光学元件的表面以简化光学限制配置。他们通过堆叠 MQW 作为超材料，实现了前所未有的器件可调性并获得了通用的纳米级脉冲限制器;设计紧凑型光学和光子系统的关键要素。

由于采用了超材料工程，与传统的体光学限制器相比，纳米级 MQW 薄膜的厚度提供了非凡的脉冲限制性能可调性。其他实验表明 MQW 的强克尔响应源自特定子带之间的单光子跃迁。由于单光子吸收 (1PA) 和双光子吸收 (TPA) 过程，费米海上方的自由电子可以在设置中不断提升。根据结果​​，Qian 等人。相信在 MQW 系统中观察到的多个子带间跃迁及其宽带克尔效应在近红外 (NIR) 波长中具有类似的脉冲限制效应。

通过这种方式，Haoliang Qian 及其同事在本研究中首次展示了一种由耐火材料制成的纳米级反射模式飞秒脉冲限制薄膜。他们使用嵌入式 MQW 的大型和超快光学克尔非线性促进了设置。该团队将前所未有的、依赖于强度的克尔非线性归因于 MQW 中的电子子带。这项工作提供了一种新的机制来设计非凡的光学非线性和新颖的应用，并为非线性光学和集成光子学中的非平凡光学限制和应用提供进一步可调性的选项。

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