Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойФизикаОткрывая будущее световых технологий: новый подход преодолевает оптические потери

Открывая будущее световых технологий: новый подход преодолевает оптические потери

- Advertisement -

Схема распространения поляритонов при возбуждении реальной частоты и синтезированной сложной частоты. Хотя поляритонные волны на реальных частотах имеют ограниченное расстояние распространения, объединение волн, распространяющихся на разных реальных частотах, на основе комплексных частот падения может обеспечить распространение практически без потерь. Фото: Университет Гонконга.

Исследовательская группа, которую совместно возглавляют профессор Шуан Чжан, временно исполняющий обязанности заведующего кафедрой физики Гонконгского университета (HKU), и профессор Цин Дай из Национального центра нанонауки и технологий Китая, представила решение общей проблемы. в области нанофотоники – исследование света в чрезвычайно малых масштабах.

Их выводы, недавно опубликованные в престижном академическом журнале Природные материалы, предложить подход синтетической сложной частоты волны (CFW) для решения проблемы оптических потерь при распространении поляритонов. Эти результаты предлагают практические решения, такие как более эффективные световые устройства для более быстрого и компактного хранения и обработки данных в таких устройствах, как компьютерные чипы и устройства хранения данных, а также улучшенные точность в датчиках, методах визуализации и системах безопасности.

Поверхностные плазмонные поляритоны и фононные поляритоны обладают такими преимуществами, как эффективное хранение энергии, усиление локального поля и высокая чувствительность, благодаря их способности удерживать свет в небольших масштабах. Однако их практическое применение затрудняет проблема омических потерь, вызывающих диссипацию энергии при взаимодействии с природными материалами.

Распространение гиперболического фонон-поляритона и эллиптического фонон-поляритона на пленке α-MoO3. (а) АСМ антенны, расположенной на пленке α-MoO3. (б) Измерения реальной частоты гиперболического поляритона на разных реальных частотах. (c) Комплексное измерение частоты обеспечивает распространение на сверхдальние расстояния. (г) АСМ двух разнесенных золотых антенн. (д) Амплитуда и действительная часть измерений на реальной частоте f=990см-1. (е) Амплитуда и действительная часть измерений на комплексной частоте f=(990-2i)см-1. (Рисунки адаптированы из Природные материалы, 2024). Фото: Университет Гонконга.

За последние три десятилетия это ограничение препятствовало прогрессу в области нанофотоники для сенсорных, супервизуальных и нанофотонных схем. Преодоление омических потерь значительно повысит производительность устройства, что позволит добиться прогресса в сенсорных технологиях, создании изображений с высоким разрешением и усовершенствованных нанофотонных схемах.

Профессор Шуан Чжан, автор статьи, объяснил суть исследования: «Чтобы решить проблему оптических потерь в ключевых приложениях, мы предложили практическое решение. Используя новое синтетическое комплексное волновое возбуждение, мы можем добиться виртуального усиления и противодействовать внутренним потерям поляритонной системы. Чтобы проверить этот подход, мы применили его к системе распространения фонон-поляритонов и наблюдали значительное улучшение в распространении поляритонов».

«Мы продемонстрировали наш подход, проведя эксперименты с использованием материалов фонон-поляритонов, таких как hBN и MoO.3, в оптическом диапазоне частот. Как и ожидалось, мы получили расстояние распространения почти без потерь, что соответствует нашим теоретическим предсказаниям», — добавил доктор Фусинь Гуань, первый автор статьи и научный сотрудник кафедры физики Гонконгского университета.

Многочастотный подход для преодоления оптических потерь

В этом исследовании команда разработала новый многочастотный подход к решению проблемы потерь энергии при распространении поляритонов. Они использовали особый тип волн, называемый «волнами сложной частоты», для достижения виртуального усиления и компенсации потерь в оптической системе. В то время как регулярная волна сохраняет постоянную амплитуду или интенсивность с течением времени, волна сложной частоты одновременно демонстрирует как колебания, так и усиление. Эта характеристика позволяет получить более полное представление о поведении волн и компенсировать потери энергии.

Распространение 1D-поляритона (слева направо) с использованием пленки hBN, работающей на оптической частоте. (а) Изображения реальных частот показывают очевидный профиль поля затухания в направлении распространения. (б) Комплексные измерения частоты обеспечивают почти недиссипативное поведение распространения. (Рисунки адаптированы из Природные материалы2024) Фото: Университет Гонконга.

Хотя частота обычно воспринимается как действительное число, она также может иметь мнимую часть. Эта мнимая часть говорит нам, как волна со временем становится сильнее или слабее. Волны комплексной частоты с отрицательной (положительной) мнимой частью затухают (усиливаются) со временем. Однако непосредственное проведение наших измерений при возбуждении волн сложной частоты в оптике является сложной задачей, поскольку требует сложных измерений с временным стробированием. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали математический инструмент преобразования Фурье, чтобы разбить усеченную волну сложной частоты (CFW) на несколько компонентов с отдельными частотами.

Точно так же, как когда вы готовите и вам нужен определенный ингредиент, который трудно найти, исследователи использовали аналогичную идею. Они разбили сложные частотные волны на более простые компоненты, например, используя ингредиенты-заменители в рецепте. Каждый компонент представлял собой отдельный аспект волны. Это похоже на создание восхитительного блюда, используя ингредиенты-заменители для получения желаемого вкуса. Измерив эти компоненты на разных частотах и ​​объединив данные, они реконструировали поведение системы, освещенной волной сложной частоты. Это помогло им понять и компенсировать потери энергии. Этот подход значительно упрощает практическую реализацию ВФВ в различных приложениях, включая распространение поляритонов и супервизуализацию. Проведя оптические измерения на разных реальных частотах с фиксированным интервалом, становится возможным построить оптический отклик системы на комплексной частоте. Это достигается путем математического объединения оптических откликов, полученных на разных реальных частотах.

Профессор Цин Дай из Национального центра нанонауки и технологий и еще один автор статьи заявили, что эта работа предоставила практическое решение давней проблемы оптических потерь в нанофотонике. Он подчеркнул важность метода синтезированной комплексной частоты, заявив, что его можно легко применить к различным другим приложениям, таким как молекулярное зондирование и нанофотонные интегральные схемы. Далее он подчеркнул, что «этот метод является замечательным и универсально применимым, поскольку его также можно использовать для устранения потерь в других волновых системах, включая звуковые волны, упругие волны и квантовые волны, тем самым повышая качество изображения до беспрецедентного уровня».

Ссылка: «Компенсация потерь при распространении поляритонов с помощью синтезированного комплексного частотного возбуждения» Фусинь Гуань, Сяндун Го, Шу Чжан, Кебо Цзэн, Юэ Ху, Чэньчэнь Ву, Шаобо Чжоу, Юаньцзян Сян, Сяося Ян, Цин Дай и Шуан Чжан, 8 января 2024, Природные материалы.
DOI: 10.1038/s41563-023-01787-8

Эта работа была поддержана Научным фондом New Cornerstone, Советом по исследовательским грантам Гонконга.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме