خبرنامه ماهانه سپنتالیزراسپادان

خبرنامه ماهانه با تمرکز بر اینکه چگونه فن آوری های مبتنی بر نور در علوم زندگی استفاده می شود. شامل اخبار، ویژگی ها و تحولات محصول در لیزر، تصویربرداری، اپتیک، طیف سنجی، میکروسکوپ، روشنایی و غیره است.

مجله فوتونیک پیشرفته

Advanced Photonics که توسط SPIE و چاپ لیزری چینی منتشر شده است، یک مجله بین المللی بسیار گزینشی، با دسترسی باز و منتشر کننده تحقیقات نوآورانه در همه زمینه های اپتیک و فوتونیک، از جمله تحقیقات بنیادی و کاربردی است.

روی جلد: تصویر بر اساس تحقیقات ارائه شده در مقاله "Mechanically reprogrammable Pancharatnam–Berry metasurface for microwaves" است.

Metasurface Pancharatnam–Berry قابل برنامه ریزی مجدد مکانیکی برای مایکروویو

مجله فوتونیک پیشرفته

مجله فوتونیک پیشرفته

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری 

Advanced Photonics که توسط SPIE و چاپ لیزری چینی منتشر شده است، یک مجله بین المللی بسیار گزینشی، با دسترسی باز و منتشر کننده تحقیقات نوآورانه در همه زمینه های اپتیک و فوتونیک، از جمله تحقیقات بنیادی و کاربردی است.

روی جلد: تصویر بر اساس تحقیقات ارائه شده در مقاله "Mechanically reprogrammable Pancharatnam–Berry metasurface for microwaves

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

نمایشگاه سنسورها + تصویربرداری 2022

فن آوری ها و برنامه های کاربردی ارائه شده است

محصولات و فناوری‌هایی که روی زمین خواهید دید، از آشکارسازها و حسگرها گرفته تا لیزرها و تجهیزات تصویربرداری برای جامعه امنیتی و دفاعی را شامل می‌شود، در حالی که پوشش جامع سیستم‌های حسگر، تجزیه و تحلیل داده‌ها، و پلت‌فرم‌های ماهواره‌ای در سمت سنجش از راه دور ارائه می‌شود.

جذب دو فوتون و انتشار تحریک شده در سلنید روی پلی کریستالی با تحریک لیزر فمتوثانیه

در یک انتشار جدید از Opto-Electronic Advances، نویسندگان گروه مهندسی لیزر در دانشکده مهندسی دانشگاه لیورپول، لیورپول، بریتانیا، جذب دو فوتون و انتشار تحریک شده در سلنید روی پلی کریستالی با تحریک لیزر فمتوثانیه را مورد بحث قرار دادند. .

سلنید روی (ZnSe) یک ماده نوری جذاب، نیمه هادی است که از طیف مرئی تا مادون قرمز دور شفاف است، به عنوان مثال به عنوان پنجره در دوربین های حرارتی حسگر حرارت استفاده می شود. در صورت دوپ شدن، تک کریستال ZnSe اساس دیودهای ساطع کننده نور است. با این حال، خواص نوری آن با شدت نور فرودی متفاوت است - که به آن پاسخ غیر خطی می گویند. این حساسیت مطالعه کنونی را هدایت کرده است که در آن قرار گرفتن در معرض پالس های لیزر 200 فمتوثانیه (2×10-13 ثانیه) در مادون قرمز نزدیک در 775 نانومتر باعث انتشار فلورسانس آبی شدید و زیبا می شود - از طریق فرآیندی به نام جذب 2 فوتونی که در آن جذب همزمان دو فوتون با انرژی کم در 775 نانومتر، الکترون‌ها را به سطوح بالاتری خارج می‌کند، جایی که پس از چند نانوثانیه، فوتون‌های فلورسنت آبی با انرژی بالا (460 تا 500 نانومتر) گسیل می‌شوند.

ماده مورد مطالعه در اینجا ZnSe چند کریستالی است - به راحتی در دسترس است، هنوز بسیار خالص و بسیار ارزان تر از مواد تک کریستال است. همچنین مشخص شد که ضریب جذب دو فوتون (b) با شدت تغییر می‌کند و با استفاده از تکنیک Z-scan اندازه‌گیری می‌شود که در آن یک نمونه نازک از ZnSe از طریق یک پرتو لیزر با تمرکز ضعیف در حین اندازه‌گیری تغییر در انتقال منتقل می‌شود. این تغییر در b همچنین استنباط می‌کند که جذب متوالی فوتون (یا جذب حالت برانگیخته) در طول قرار گرفتن در معرض لیزر صورت می‌گیرد و به آن جذب اشباع معکوس می‌گویند. در شدت اوج پایین I < 5 GW cm-2، b = 3.5 سانتی متر GW-1 را در 775 نانومتر اندازه گیری کردیم، مطابق با تحقیقات دیگر - با افزایش شدت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

فلورسانس آبی شدید مشاهده شده ما را تشویق کرد تا در نظر بگیریم که آیا در شدت فوق العاده بالا، انتشار تحریک شده می تواند در ZnSe پلی کریستالی با جذب دو فوتون در 775 نانومتر القا شود یا خیر. این قبلا در ZnSe تک کریستالی مشاهده شده است. از آنجایی که طول عمر فلورسانس 3.3 ns اندازه گیری شد، یک نمونه نازک به ضخامت 0.5 میلی متر در یک حفره نوری کوتاه (10 سانتی متر) نصب شد که بازخورد ارائه می کرد. انتشار تحریک شده در واقع با باریک شدن خط قابل توجهی از پهنای باند Dl = 11 نانومتر (حفره مسدود شده) به Dl = 2.8 نانومتر در حداکثر طول موج lp = 475 نانومتر تأیید شد در حالی که طول عمر حالت فوقانی نیز کاهش یافت. این اولین مشاهده گزارش شده از انتشار تحریک شده در مواد پلی کریستالی است. این نتایج نشان می‌دهد که با شرایط پمپاژ بهینه‌تر و خنک‌سازی کریستالی، ZnSe پلی کریستالی ممکن است از طریق پمپاژ دو فوتون در طول موج ۷۷۵ نانومتر به آستانه لیزر برسد.

سرپرستی گروه مهندسی لیزر در دانشکده مهندسی دانشگاه لیورپول بر عهده پروفسور جف دیردن، متخصص لیزر و فوتونیک است. طی چندین سال، برهمکنش‌های مواد لیزری فوق سریع (با استفاده از پالس‌های فمتوثانیه و پیکوثانیه) با استفاده از، به عنوان مثال فرسایش لیزری برای تولید ریزساختارهای سطح پیچیده دوره‌ای (پیچ کمتر از 1 میلی‌متر) با استفاده از تکنیک‌های نوری پیشرفته و لیزر مورد مطالعه قرار گرفته است. مهندسی تیر بر روی فلزات، پلیمرها و نیمه هادی ها. چنین ساختارهایی در کنترل آب گریزی سطح، پاسخ ضد باکتری، علامت گذاری امنیتی و ریزساختار دقیق اجزای با ارزش بالا برای بخش هایی مانند هوافضا کاربرد دارند. با پالس‌های فمتوثانیه، پلیمرهای شفاف (PMMA) و دی‌الکتریک‌هایی مانند یاقوت کبود از طریق پرتوهای موازی و جذب چند فوتونی با سرعت بالا ساختار داخلی میکرو ساختار یافته‌اند. مهندسی ضریب شکست دوره‌ای حاصل می‌تواند توری‌های Bragg حجمی با کیفیت بالا و با راندمان بالا ایجاد کند که در تحلیل طیفی و ایجاد حسگرهای دمای بالا برای محیط‌های شدید (موتورهای هوا) مفید است.

یک سوئیچ مغناطیسی برای لیزرهای پلاسمونیک

نانولیزرهای پلاسمونیک، که برای اولین بار در سال 2009 توصیف شد، در حال حاضر در طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی و سایر حسگرهای زیستی استفاده می‌شوند. اکنون یک تیم تحقیقاتی در فنلاند با اختراع یک کلید روشن و خاموش مغناطیسی برای چنین نانولیزرهایی این فناوری را بیشتر بهبود بخشیده است.

دانشمندان دانشگاه آلتو فنلاند، فلزات نجیب مورد استفاده در اکثر نانولیزرهای پلاسمونیک قبلی را با نقاط ریز ساخته شده از دو فلز با واکنش های قوی تر به میدان های مغناطیسی خارجی جایگزین کردند. نوع جدید کنترل می تواند منجر به پردازش بهتر سیگنال روی تراشه و اکتشافات جدید در زمینه فوتونیک توپولوژیکی شود.

نحوه عملکرد نانولیزر

تیم آلتو چندین آرایه دوره‌ای از نانو نقطه‌ها را بر روی زیرلایه‌ای از طلا و یک عایق دی اکسید سیلیکون ساخت. به‌جای ساختن نقطه‌ها از طلای دفع‌کننده مغناطیس، محققان برج‌های استوانه‌ای از لایه‌های نازک متناوب پلاتین و کبالت به قطر 220 نانومتر و ارتفاع 68 نانومتر ساختند. (پلاتین پارامغناطیس است، در حالی که کبالت فرومغناطیسی است.) شبکه ها دارای تناوب 590 نانومتر در هر دو جهت x و y برای آرایه های مربعی و 520 تا 540 نانومتر در جهت y برای آرایه های مستطیلی بودند.

در طول ساخت، دانشمندان نانو نقطه ها را در محلول رنگ لیزری مادون قرمز به نام IR-140 غوطه ور کردند. این تیم یک آرایه را با تحریک آن با پالس‌های 200 fs دایره‌ای چپ یا راست تابش 800 نانومتری به لیزر تبدیل کردند. حداکثر طول موج نور خروجی تقریباً 890 نانومتر بود.

Päivi Törmä، فیزیکدانی که سرپرست گروه دینامیک کوانتومی آلتو است، می‌گوید: «این لیزرهای پلاسمونیک از بسیاری جهات مانند یک لیزر معمولی عمل می‌کنند. "محیط افزایش، مولکول های رنگ در یک محلول است که نزدیک به آرایه قرار می گیرد، و "رزوناتور" وجود یک لبه نواری است که بازخورد را ارائه می دهد (این اصل مشابه چیزی است که به طور گسترده در لیزرهای بازخورد توزیع شده معمول استفاده می شود) "

هنگامی که محققان میدان مغناطیسی را معکوس کردند، دریافتند که آستانه و شدت لیزر بسته به جهت مغناطیسی تغییر می کند. در واقع، در یک جریان پمپ درست بالاتر از آستانه لیزر، تیم گزارش می‌دهد که می‌تواند شدت لیزر را تا 75 تا 90 درصد با کلیدزنی مغناطیسی تعدیل کند و به طور موثر یک کلید روشن و خاموش ایجاد کند.

یک پلت فرم توپولوژیکی-فوتونیکی؟

با بررسی تأثیر سوئیچینگ مغناطیسی بر رفتار لیزر، این تیم همچنین شواهدی از تقسیم بین دو حالت لیزر کایرال مخالف را مشاهده کردند. طبق این مقاله، این نوع تقسیم توسط شکست تقارن معکوس زمانی (یعنی جهت مغناطیسی) "در ایجاد سیستم های توپولوژیکی غیر پیش پا افتاده ضروری است."

آنالوگ های فوتونیک به اصطلاح عایق های توپولوژیکی در فیزیک ماده متراکم موضوعی داغ برای چندین سال بوده است (به «سیستم های فوتونیک توپولوژیکی»، OPN، می 2018 مراجعه کنید). تصور می‌شود که فوتونیک توپولوژیک می‌تواند به طور بالقوه انواع جدیدی از پردازش سیگنال و سایر کاربردهایی را که در برابر بی نظمی، نقص‌های مواد و اختلالات خارجی مقاوم هستند، اجازه دهد. و گروه Aalto فکر می‌کند که نانولیزرهای کنترل‌شده مغناطیسی آنها می‌تواند «سکوی هیجان‌انگیزی» برای مطالعه چنین اثرات توپولوژیکی باشد.

تورما می‌گوید: «حالت‌های کایرال و سایر اثرات کایرالی که می‌بینیم، تأثیر قوی شکست تقارن معکوس زمانی را که مغناطش ذرات ایجاد می‌کند، منعکس می‌کند، و این شکست تقارن، همراه با هندسه شبکه مناسب، می‌تواند بعداً برای تولید سیستم‌های توپولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.» می گوید. مهم است که وجود ساختار آرایه و حالت‌های شبکه مربوطه در کار ما برای تقویت اثرات مورد انتظار مغناطیسی یافت شد - این قابل توجه است و نوید مطالعات توپولوژیکی را در آینده می‌دهد.

تورما تاکید می کند که او و همکارانش هنوز به لیزر غیر متقابل دست نیافته اند، که زمانی رخ می دهد که تقارن معکوس زمانی سیستم شکسته شود. با این حال، او می گوید، احتمالاً می توان آن را در تغییرات آینده در این نوع نانولیزر مشاهده کرد.

پیگیری درخواست ها

قدم بعدی تورما و همکارانش ساختن سیستم های فوتونیک توپولوژیکی واقعی است. او می گوید: «سوئیچینگ مغناطیسی را می توان به عنوان مکانیزم کنترلی در هر نانولیزر پلاسمونیکی از این نوع استفاده کرد. "اگر کسی شروع به دنبال کردن چنین برنامه هایی کند، آنها می توانند ظرف چند سال قابل اجرا باشند، زیرا این فناوری در حال حاضر روی تراشه است."

به گفته تورما، بزرگترین مانع در دستیابی به چنین نانولیزرهای یکپارچه در کاربردهای واقعی، دستیابی به یک سیستم پمپاژ الکتریکی به جای پمپ نوری خواهد بود. با این حال، اگر این کار محقق شود، او تعدادی استفاده بالقوه را برای این لیزرهای کوچک و سوئیچ مغناطیسی متصور است. به عنوان مثال، نانولیزرهای پلاسمونیک را می توان در سنجش استفاده کرد، زیرا پدیده لیزر حتی تغییرات کوچکی را در ساختار حالت (ناشی از چیزی که فرد می خواهد تشخیص دهد) را تقویت می کند.

نمونه‌بردارهای میدان نوری در مقیاس نانو با وضوح آتوثانیه

بالا سمت چپ: شماتیک دستگاه. بالا سمت راست: تصویری از فرآیند نمونه برداری از میدان نوری. پایین سمت چپ: عکسی از نانومدار تعبیه شده روی یک برد مدار چاپی. پایین سمت راست: میدان اندازه گیری شده (آبی) در مقایسه با میدان مورد انتظار بازسازی شده (قرمز).

تکنیک های مبتنی بر نور برای مشخص کردن نمونه ها ابزار قدرتمندی برای علم و کاربرد هستند. در حالت ایده‌آل، این تکنیک‌ها اندازه‌گیری‌هایی را با وضوح مکانی و زمانی برتر بدون آسیب رساندن به نمونه امکان‌پذیر می‌کنند. با این حال، در حالی که پیشرفت‌ها در میکروسکوپ با وضوح فوق‌العاده تصویربرداری غیر مخرب با وضوح فضایی زیر موج را ممکن می‌سازد، اندازه‌گیری‌های با حساسیت بالا با وضوح زمانی بهتر از زمان چرخه نور مرئی و مادون قرمز چالش برانگیز هستند.

این چالش توانایی ما را برای کشف بسیاری از دینامیک‌های مهم تعامل نور-ماده محدود می‌کند. برای مثال، انتقال انرژی از نور به الکترون در سیستم‌های فتوولتائیک و فتوسنتزی در مقیاس‌های زمانی فمتوثانیه و بالقوه زیر فمتوثانیه انجام می‌شود. تجسم چنین دینامیک سریعی به وضوح زمانی در حد چند فمتوثانیه یا کمتر نیاز دارد. روش‌های دستیابی به چنین وضوحی نیازمند لیزرهای بزرگ و پرقدرت، محیط‌های خلاء یا نور فرابنفش شدید است که کاربردهای آن را به شدت محدود می‌کند.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، ما یک فناوری نمونه‌برداری فشرده و یکپارچه ایجاد کرده‌ایم که شکل موج‌های میدان الکتریکی نوری مادون قرمز نزدیک را مستقیماً در حوزه زمان قابل مشاهده است. این فناوری تنها با استفاده از انرژی‌های پالس در سطح پیکوژول به وضوح زیر چرخه نوری و زیر فمتوثانیه می‌رسد. از آنجایی که حوزه‌های زمان و فرکانس با تبدیل فوریه همبستگی دارند، اطلاعات طیفی کامل (هم دامنه و هم فاز) نیز از این اندازه‌گیری‌ها بازیابی می‌شود.

برای اندازه‌گیری میدان‌های نوری با وضوح فرعی، دستگاه‌های ما از آرایه‌هایی از نانوآنتن‌های رزونانس الکتریکی متصل شده در ترکیب با پالس‌های محرک نوری چند سیکلی استفاده می‌کنند. این نانوآنتن‌ها میدان‌های نوری تصادفی راننده را برای دستیابی به تابش نور میدان قوی تقویت می‌کنند و انفجارهای الکترون آتوثانیه‌ای ایجاد می‌کنند که پهنای باند نمونه‌گیری در سطح پتاهرتز را امکان‌پذیر می‌سازد. اسکن یک میدان الکتریکی ضعیف از یک موج سیگنال مورد علاقه در سراسر دستگاه به موقع باعث تغییر در جریان شناسایی شده بسته به جهت میدان سیگنال می شود. سپس جریان از طریق دستگاه‌ها به یک آشکارساز خارجی می‌رود، جایی که ضبط می‌شود و یک کپی کامل از موج سیگنال در زمان ارائه می‌کند.

سیستم‌های طیف‌سنجی دامنه زمانی مشابهی که در رژیم THz3 کار می‌کنند، به صورت تجاری در دسترس هستند و معمولاً برای کاربردهای صنعتی و علمی مانند آنالیز شیمیایی و مواد استفاده می‌شوند. چنین سیستم‌هایی اغلب نسبت به تکنیک‌های حوزه فرکانس مرسوم برتری دارند، اما به دلیل محدودیت‌های فناوری اساسی هنوز به مناطق مرئی و مادون قرمز نزدیک مقیاس‌بندی نشده‌اند. ما بر این باوریم که روش ما یک پلت فرم فشرده را فراهم می کند که امکان توصیف چرخه فرعی شکل موج های میدان الکتریکی نوری کم انرژی را برای طیف سنجی با تفکیک زمانی و تصویربرداری در مرئی تا مادون قرمز نزدیک فراهم می کند. به نظر ما، این پلتفرم می‌تواند بینش جدیدی را در مورد دینامیک برهم‌کنش نور-ماده، با کاربردهایی در زمینه‌هایی مانند فتوولتائیک، زیست‌شناسی، پزشکی، ایمنی مواد غذایی، سنجش گاز و کشف دارو، فراهم کند.

اپتیک در سال 2021

اپتیک در سال 2021

جالب ترین تحقیقات در زمینه اپتیک و فوتونیک

این شماره ویژه اخبار اپتیک و فوتونیک، تحقیقات هیجان انگیز اپتیکی که در سال گذشته ظهور کرده است را برجسته می کند.