作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 传统体传输模式和提出的纳米级反射模式脉冲限制器的比较
(甲和乙)常规配置(不按比例)广泛用于光学限制，基于克尔诱导自散焦(甲)和克尔型非线性吸收(如热塑性塑料)(乙)
前者是通过在焦平面后插入一个体克尔介质来加速入射高斯光束的发散而实现的，入射高斯光束具有很高的灵敏度，因此只有一小部分光束可以通过预先指定的孔径
后者是通过在焦平面前放置一个体克尔介质来吸收入射光束的高强度部分来实现的
注意，不均匀分布的体克尔介质，如(B)所示，是最大化非线性吸收所需要的
(三)最近出现的反射式光限幅器(不按比例)
为了限制高强度透射，反射脉冲限制器的反射将由于阈值强度以上的非共振而增强，而不是增加吸收(B)
(四)纳米级反射光限幅器示意图(未按比例)
深度亚波长光限幅器薄膜可以集成到现有光学元件的表面上
学分:科学进步，doi: 10
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aay3456 在过去的几十年里，物理学家利用先进的高强度超短脉冲激光对非线性光学、等离子体物理和量子科学进行了深入的实验室研究
该技术的使用增加自然有损坏光学检测系统的风险，因此他们提出了多种光学限制机制和装置
然而，这种设计的器件小型化同时保持优良的可集成性和控制可能变得复杂
在一份新的报告中，钱浩亮和一个电气和计算机工程、材料科学、化学以及美国加州大学圣地亚哥分校记忆和记录研究中心的研究小组
S
，详细介绍了反射模式脉冲限制器
他们利用由氧化铝和夹在中间的氮化钛(Al2O3/TiN/Al2O3)制成的纳米级耐火薄膜来构建金属量子阱，从而设计了这种器件
MQW的量子尺寸效应提供了大的和超快的克尔型非线性
包含这些多量子阱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，其结果现已发表在《科学进展》上
光限幅器可以促进低于某个入射光强度或功率阈值的线性透射或反射，并且在该阈值之上，该设备可以将反射光功率保持在可调值
在光学传感器前放置一个合适的限制器可以保护传感器，并将其工作范围扩展到比以前认为可能的更极端的条件
无源光限幅器响应时间快，广泛用于限制短光脉冲
该器件由具有下列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(电光特性)，产生超快响应时间
因此，研究人员研究了特殊的克尔型非线性材料，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通常由宏观固体或液体介质制成
科学家们还没有报道一种材料或系统能够在纳米尺度上提供足够强的非线性，以促进反射模式的脉冲限制效应
脉冲的时空特征
从选定的未聚焦近红外光束产生的SHG光束轮廓
来自单次自相关器的SHG信号的线宽
单次自相关仪的校准曲线
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aay3456 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)材料系统产生飞秒脉冲的纳米级克尔型光限幅器
该装置含有氮化钛(TiN)和氧化铝(Al2O3)等耐火材料；非常适合原子级精度蓝宝石衬底上开发的高强度非线性光学应用
在这个装置中，他们量化了夹在相邻电介质势垒(Al2O3)之间的金属阱(TiN)中的自由电子
这种实验安排允许受限的氮化钛纳米薄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
这些跃迁通过MQW装置的克尔非线性对脉冲限制效应做出了贡献，并影响了多光子吸收过程
丰富的电子子带使得纳米级耐火薄膜具有前所未有的脉冲限制行为
量子尺寸氮化钛薄膜中的多个电子子带实现了极高的克尔系数
锡MQW的导带图(左)和相应的子带电子色散(右)
费米能级EF (~4
6 eV)显示为虚线
红色箭头表示子带∣2⟩和∣3⟩之间的单光子子带间跃迁
2纳米厚氮化钛薄膜的非线性光学常数n2的波长依赖性，通过使用45入射p偏振激光脉冲的z扫描技术测量(100飞秒脉冲宽度，1千赫重复频率；Astrella，Coherent)，强度约70 GW/cm2
请注意，n2的虚方使用了一个减号
红色箭头对应于(A)中所示的计算跃迁波长，而实线是样条拟合曲线
不同位置的多次测量的波动由误差线表示
插图显示了氮化钛MQW薄膜的典型透射电子显微镜横截面
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aay3456 由于组成TiN的等离子体激元效应，金属量子阱样品在低强度光照下表现出类似金属的高反射
在用于测量材料非线性光学特性的z扫描测量过程中，研究小组观察到与子带之间的单光子跃迁(克尔非线性)相关的分辨共振峰，这与计算的能带结构一致
所提出的MQW在高强度照明期间起到电介质的作用，以形成第一个研究中的反射模式光学限制器，为设计最佳光学限制系统提供了新的自由度
飞秒脉冲限幅器的纳米级薄膜工作在反射模式，钱等
将其集成到光学元件的表面上，以简化光限幅配置
他们通过堆叠多量子阱作为超材料实现了器件前所未有的可调谐性，并获得了多功能的纳米级脉冲限制器；设计紧凑的光学和光子系统的关键要素
基于氮化钛的多量子阱反射模式纳米级飞秒脉冲限幅器的实验演示
(一)反射模式脉冲限制器的实验配置(不按比例)
衰减器用于改变入射功率，以获得脉冲限制曲线
7单元MQW薄膜的典型透射电镜截面
多量子阱顶部的层是一个保护层，仅用于聚焦离子束切割过程中的透射电镜截面制备
(3)在1997纳米波长(100飞秒脉冲宽度、1千赫重复频率、130微米光束半径、45°入射角和p偏振)下，具有单个单位和7个单位MQW的样品的测量反射功率的强度依赖性
虚线显示了相应的线性反射曲线
在正文中定义了极限强度离子的开始
插图显示了放大的7单元MQW薄膜的透射电镜横截面(左)和暗场高分辨率透射电镜图像(右)，显示了生长的多层膜的高质量
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aay3456 由于超材料使能的工程，纳米级MQW薄膜的厚度提供了与传统体光学限制器相比的非凡的脉冲限制性能的可调谐性
额外的实验揭示了多量子阱的强克尔响应源于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该装置中被连续促进
基于这些结果，钱等人
相信在MQW系统中观察到的多个子带间跃迁和它们的宽带克尔效应在近红外波长中具有相似的脉冲限制效应
量子阱的光学克尔非线性物理学
(A和B)从实验测量的反射率和透射率提取的强度相关折射率Ni[(A)中的“exp”]，并通过单光子吸收(1PA)和双光子吸收(TPA)饱和模型进行拟合[(B)中的“fit”]
插图(B)显示了分别代表克尔过程、1PA过程和TPA过程的图表
所用的样品有7个MQW单位，数据是在1997纳米的波长下获得的
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aay3456 通过这种方式，钱浩亮和他的同事在这项研究中首次展示了由耐火材料制成的纳米级反射模式飞秒脉冲限制薄膜
他们利用嵌入式多量子阱的大而超快的光学克尔非线性简化了设置
该团队将这种前所未有的、依赖于强度的克尔非线性归功于MQW的电子子带
这项工作提供了一种新的机制来设计特殊的光学非线性和新的应用，为非透明光学限制的进一步可调性以及在非线性光学和集成光子学中的应用提供了选择
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