Оптика свободного пространства: плазмонный метаматериал, флюоресценция и красители
Жизнь современного человека сложно представить без определенных технологических атрибутов, создание которых в свое время радикально изменило мир: двигатель внутреннего сгорания, мобильная связь, интернет и т.д. Если прошлые века можно было именовать временем безумных открытий и невообразимых изобретений, то в наши дни куда чаще можно встретить что-то, что нацелено на совершенствование уже имеющейся технологии. Беспроводная передача данных не являются исключением. Как известно, Wi-Fi, хоть и обладает вполне внушительными характеристиками, все же отстает от передачи данных по оптоволокну. На то есть масса причин, однако это не значит, что беспроводные методы связи в принципе не могут превзойти своих проводных предшественников. Ученые из университета Дьюка (США) совершила весьма значимое открытие в области оптики свободного пространства, которое может в последствии избавить нас от необходимости использовать оптоволокно. В чем заключается открытие, какими важными характеристиками и функциями оно обладает, и каков потенциал устройства в аспекте передачи данных? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Оптика свободного пространства (или FSO от free-space optics), как нам подсказывают сами слова в этом термине, обозначает оптическую связь, осуществляемую с помощью электромагнитных волн оптического диапазона, передаваемых через атмосферу.
Схема фотофона Белла.
Зачатки данной технологии появились еще в 1880 году, когда Александр Белл запатентовал фотофон. Основой данного устройства был селен (Se), а точнее его способность менять проводимость при воздействии на него солнечных лучей, отраженных от зеркала, вибрирующего под влиянием звука.
Другими словами, звук, направленный на зеркало, вызывает вибрации; свет, падающий на вибрирующее зеркало, отражается от него в сторону приемника (кристаллические селеновые ячейки); приемник меняет электропроводимость (она выше, когда света меньше, и ниже, если света больше).
Данные колебания приводят к образованию в селеновой ячейке разного сопротивления, которое можно применить для воспроизведения звука, принятого приемником.
Это яркий пример модуляции светового луча, т.е. его манипулированием. Зеркало, использованное в фотофоне, с определенной периодичностью меняло свою геометрию с вогнутой на выпуклую. За счет этого свет то фокусировался, то рассеивался.
Фотофон своими руками.
Однако, несмотря на уникальность данного изобретения по меркам того времени, оно было несовершенно. Погодные условия, влияющие на интенсивность солнечных лучей, и другие атмосферные факторы нарушали работу фотофона. Другими словами, изобретение было гениальным, но не особо практичным. Тем не менее именно фотофон считают одним из фундаментальных блоков развития современной оптоволоконной связи.
Проблемы, с которыми столкнулся фотофон, крайне близки к тем, с которыми сталкиваются современные варианты устройств оптики свободного пространства. Однако некоторые ограничения, сложности и проблемы все же можно либо обойти, либо минимизировать.
К примеру, оптические свойства излучателей тесно связаны с электромагнитной средой, где они оперируют. Данная среда может быть сильно изменена плазмонными структурами, которые позволяют концентрировать оптические поля в глубоких субволновых областях.
По этой причине плазмонные нанорезонаторы широко используются для усиления флуоресценции, комбинационного рассеяния света (эффект Рамана), поглощения света, а также для увеличения скорости и направленность излучения.
Ученые приводят в пример опыты по усилению флуоресценции одиночных молекул в 1340 раз посредством золотых бабочкообразных наноантенн.
Пример геометрии антенны-бабочки на подложке из LiNbO3 из данного исследования.
Также существуют работы, в которых были достигнуты отличные результаты в увеличении скорости излучения (в 1000 раз) полупроводниковых квантовых точек, встроенных в связанные с подложкой нанокубы.
Хоть эти результаты и достойны похвалы, в них сокрыта одна из основных проблем развития FSO — масштаб. Как вы могли заметить, все эти исследования проводились с устройствами и системами нанометрового масштаба. Попытки перевести эксперименты по флюоресценции в миллиметровый масштаб хоть и показывали неплохие результаты, но ввиду определенных факторов (низкая квантовая эффективность флуоресцентных красителях) не стали основой для создания практического прототипа. Другими словами, в теории все отлично, но на практике — есть проблемы.
Ученые отмечают, что если бы основные излучательные свойства люминесцентных материалов (срок службы, эффективность, диаграмма направленности и т.д.) можно было улучшить в макроскопических масштабах, то это позволило бы использовать их в оптической связи в свободном пространстве (FSOC от free-space optical communications).
Например, источник некогерентного света с высокой пропускной способностью может быть интегрирован в инфраструктуру освещения, чтобы действовать как передатчик для достижения связи в видимом свете (VLC от visible light communications) и обеспечивать высокую плотность передачи данных. Таким источником света мог бы стать люминесцентный материал с высокой эффективностью и сверхбыстрым временем отклика, модулированный широкополосным лазером.
Что касается принимающей стороны, то идеальный детектор для FSOC должен иметь большую активную площадь, быстрое время отклика и высокую точность, чтобы полностью поддерживать самые высокие скорости передачи данных. Кроме того, он должен справляться со своей задачей даже при низкой интенсивности передачи и иметь широкий угол обнаружения, чтобы минимизировать проблему наведения и отслеживания.
Время отклика полупроводниковых фотоприемников снижается по мере увеличения активной области из-за емкости перехода, времени прохождения носителей и времени диффузии. Этот эффект можно компенсировать посредством преломляющей оптики, однако это ограничивает поле зрения из-за сохранения собственного потенциала.
По мнению авторов рассматриваемого нами труда, флуоресцентные красители могут уменьшить геометрический фактор* света, собираемого на большой площади с большим полем обзора, и сконцентрировать его на небольшом фотодиоде.
Геометрический фактор* (этендю) — характеристика того, насколько свет в оптической системе расширен по размерам и направлениям.Но и тут не обходится без проблем, так как промежуточное рассеяние приводит к большим потерям, а скорость затухания устанавливает нижний предел времени отклика таких люминесцентных детекторов.
Также важен и тот факт, что время жизни флуоресценции известных на данный момент красителей не превышает 1 нс в видимом и инфракрасном спектре. Из этого следует, что люминесцентные детекторы будут недостаточно быстрыми для обеспечения высокопроизводительной беспроводной связи.
Спасти ситуацию может плазмонное усиление, позволяющее получить контроль над радиационным временем жизни и диаграммой направленности люминесцентных красителей.
В данном труде ученые продемонстрировали устойчивое и равномерное плазмонное усиление люминесцентного красителя в сантиметровом масштабе с рекордно высокой эффективностью преобразования фотонов (28.6%) и сверхбыстрым временем жизни излучения (12 пс).
Увеличение скорости происходит за счет структуры плазмонных нанорезонаторов с малым модовым объемом. Это создает усиленные локализованные электромагнитные поля в непосредственной близости от красителя, которые увеличивают скорость перехода (эффект Перселла*).
Эффект Парселла* — увеличение скорости испускания осциллятора в резонаторе по сравнению со скоростью спонтанного излучения в свободное пространство.Кроме того, данная плазмонная метаповерхность, связанная с красителем, поглощает свет с широких углов падения и эффективно генерирует направленное излучение со сверхбыстрым временем отклика, которое можно модулировать на скоростях, превышающих 14 ГГц.
Изображение №1
Разработанная структура состоит из коллоидно синтезированных серебряных нанокубов (60 нм) на слое полимера (7 нм) со встроенным флуоресцентным красителем и находящейся под ним серебряной пленкой (1а). Такая архитектура позволяет получить плазмонную структуру с большим увеличением электрического поля (до 80 раз) между серебряными нанокубами и серебряной пленкой.
Чтобы повысить эффективность преобразования фотонов, четыре отдельных слоя фотостабильного флуоресцентного красителя Atto 532 с высоким квантовым выходом (QY от quantum yield) были внедрены между полимерными слоями, а именно между серебряной пленкой и нанокубами. Для максимизации поглощение при плазмонном резонансе, нанокубы покрывают не менее 17% поверхности, т.е. в области диаметром 1.2 см расстояние между кубами составляет 194 нм (1b). За счет этого достигается 90-процентное поглощение с центром в точке 542 нм (1c).
Результаты исследования
Чтобы исследовать усиление флуоресценции, на структуру фокусировали непрерывный лазер с длиной волны 532 нм, что создавало световое пятно диаметром 2.2 мкм. В результате было обнаружено 910-кратное увеличение интенсивности флуоресценции по сравнению с излучением контрольного образца на стекле с той же концентрацией красителя и структурой слоев, но без нанорезонаторов (вставка на 1d).
Сравнение интенсивности флуоресценции плазмонного образца с нанорезонаторами (слева) и образца на стекле (справа), соответствует вставке на 1d.
Для эффективного сбора излучения из большой макроскопической области, конус излучения структуры должен быть узким. Таким образом, для определения диаграммы направленности плазмонной структуры было сделано двумерное изображение образца в k-пространстве. Непрерывный лазер с длиной волны 532 нм фокусировался на плоскость образца через объектив, а задняя фокальная плоскость объектива (т.е. плоскость Фурье) отображалась на цифровой камере с электронным умножением.
Угловая зависимость излучения образца может быть извлечена из двумерного изображения в k-пространстве и нормирована на отражение от плоской серебряной пленки (2a). Полноволновое моделирование диаграммы направленности на резонансной длине волны 550 нм показало отличное согласование с результатами практических опытов.
Изображение №2
По диаграмме направленности было определено, что доля испускаемого от образца света, собираемого линзой объектива, составляет около 84%. Учитывая размер пятна лазера (1 мкм) и среднее расстояние между нанокубами (194 нм), можно вычислить, что этот показатель (84%) является коллективной диаграммой направленности 27 нанокубов.
Ученые отмечают, что посредством измерений диаграммы направленности и измерений эффективности сбора можно определить эффективность преобразования фотонов плазмонной структуры. Для этого был использован однородный откалиброванный источник света с заданной спектральной энергетической освещенностью. Эффективность определяется как соотношение между выходной мощностью от образца и мощностью лазера, падающей на образец (измеренной после объектива и до попадания в образец).
Чтобы учесть любые потери в экспериментальной установке, откалиброванный источник света был помещен в плоскости образца, что позволяет фиксировать выходную мощность непосредственно из образца. В результате было определено, что выходная мощность, собранная линзой объектива, составляет 2.4 нВт.
Данный показатель плюс известная доля испускаемого от образца света, собираемого линзой объектива (84%), позволяют установить, что эффективность преобразования фотонов плазмонной структурой равна 28.6%.
Авторы исследования утверждают, что это самая высокая эффективность, о которой когда-либо сообщалось для плазмонной метаповерхности с эмиттерной связью. В предыдущих трудах описывались подобные структуры, однако время жизни флуоресцентного красителя (1.77 нс) и эффективность преобразования (1.5%) были значительно хуже.
Далее была проведена оценка плазмонной структуры при различных углах падения, что позволяет определить угловое поле зрения. Наблюдение за интенсивностью флуоресцентного излучения осуществлялось в процессе изменения угла наклона лазера относительно структуры.
Из графика 2а видно, что интенсивность незначительно уменьшалась при углах падения от 0° до 45°, но при 60° уменьшение составило около 50%. Следовательно, угол приема составляет порядка 120° для подавляющей доли излучения образца.
На следующем этапе исследования была выполнена проверка зависимости флуоресценции от мощности лазера, а также пределы насыщения и прочности структуры.
Как видно из 2b, флуоресцентное излучение имеет линейную зависимость от плотности мощности возбуждающего лазера ниже 0.75 Вт/см2. При более высоких плотностях мощности возбуждения фотообесцвечивание красителя происходит до того, как может быть достигнуто насыщение населенности возбужденного состояния.
Однако измеренный порог прочности в 0.75 Вт/см2 и порог интенсивности излучения (0.21 Вт/см2) значительно превышают соответствующие показатели устройств-предшественников.
Далее было проведено исследование изменений скорости спонтанных излучений флуорофоров, связанных с нанорезонаторами. Чтобы исследовать скорость излучения плазмонной метаповерхности, измерения флуоресценции с временным разрешением были выполнены с использованием фемтосекундного импульсного лазера с длиной волны 532 нм (частота повторения 80 МГц, длительность импульса 150 фс).
Изображение №3
На графике 3a показана временная зависимость флуоресцентного излучения красителя на стеклянной подложке и красителя, связанного с плазмонным резонатором.
Контрольный образец красителя на стеклянной подложке продемонстрировал однократное экспоненциальное затухание со временем жизни 1.6 нс. В случае с плазмонной наноструктурой наблюдалось значительное уменьшение времени жизни флуоресценции с распадом, близким к функции отклика (IRF от instrument response function) детектора (полуширина 30 пс).
Эти данные позволяют предположить, что скорость спонтанного излучения увеличивается в 133 раза. Если же учесть геометрию резонатора, то увеличение скорости близится к 1000-кратному. Важно и то, что увеличение времени затухания плазмонного образца (3a) сопровождалось увеличением интенсивности флуоресценции (1d). Из чего следует вывод, что квантовая эффективность излучения составила порядка 50%.
Время жизни в 12 пс указывает на потенциальную ширину полосы в 83 ГГц, однако это не говорит о возможности модулировать излучение созданной структуры. На практике для большинства устройств излучение структуры должно соответствовать модуляции возбуждающего света с высокой точностью.
Посему было решено это проверить, используя разделенный на два канала фемтосекундный лазер с длиной волны 532 нм (импульс накачки и импульс управления). Управляющий импульс был связан с механической линией задержки, за счет чего можно было контролировать временную задержку между двумя импульсами.
Два импульса пространственно перекрывались и фокусировались на плоскости образца через линзу объектива, числовую апертуру (0.45), а размер пятна возбуждения составлял 3 мкм. Полученный отклик плазмонной структуры измерялся с помощью лавинного фотодиода* (ЛФД).
Лавинный фотодиод* — устройство преобразования света в электрический сигнал за счет фотоэффекта (когда энергия фотонов передается электронам вещества, с которым они взаимодействуют).На 3b показан отклик при различных временах задержки (∆t) между импульсами накачки и управления для излучения как плазмонной структуры (сплошные кривые), так и отражения лазера на плоской серебряной пленке (пунктирные кривые). По этому графику видно, что излучение плазмонной структуры следует за откликом лазера. В случае, когда время задержки выше 67 пс, отклики от двух импульсов можно различить лишь при 3 дБ или выше. Измеренный отклик при ∆t = 70 пс предполагает, что частота модуляции превышает 14 ГГц для различимости на уровне 3 дБ. При этом отклики от двух лазерных импульсов практически неразличимы, если ∆t составляет 30 пс или ниже (т.е. на уровне разрешающей способности детектора).
Еще одним немаловажным элементом практической реализации оптического приемника является большая эффективная площадь при низком значении времени отклика. Пока разработанная структура показывает хорошие результаты, однако необходимо было провести масштабирование, чтобы выяснить ее реальные возможности.
Для этого были проведены измерения быстрой модуляции (как и на предыдущих этапах исследования), но на площади миллиметрового масштаба.
Чтобы добиться возбуждения большой площади, объектив был заменен на ахроматическую линзу с фокусным расстоянием 200 мм, которая обеспечивает зону возбуждения диаметром 2 мм.
Изображение №4
График выше показывает отклик от двух импульсов вместе (красная сплошная кривая), от импульса накачки (черная пунктирная) и от импульса управления (синяя пунктирная) при временной задержке в 130 пс. Вполне очевидно, что два импульса четко различимы.
Отклик от области в 2 мм показывает такое же поведение, как и в случае с пятном лазерного возбуждения в 3 мкм (3b) при том же времени задержки. Другими словами, наблюдается одинаковая картина происходящего как в микромиллиметровом, так и в миллиметровом масштабе. При этом в более крупном варианте для сбора излучения может быть использована та же диаграмма направленности, что в случае малого образца (2a).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые продемонстрировали, что плазмоника может быть отличным инструментом для улучшения свойств люминесцентных материалов в миллиметровом масштабе при сохранении рекордно высокой эффективности преобразования фотонов в ～30%.
В ходе исследования флуоресцентные красители были помещены в метаповерхность с плазмонными нанорезонаторами, что привело к 910-кратному увеличению флуоресценции и сверхбыстрому излучению в течение 12 пс. Далее посредством разделенного лазерного импульса была успешно реализована модуляция излучения флуоресценции с полосой модуляции 3 дБ, превышающей 14 ГГц. При этом характеристики образца, размеры которого были переведены в миллиметровый масштаб, оставались такими же удивительными. Еще одним важным достижением является факт того, что разработанная метаповерхность способна поглощать свет с широких углов падения и эффективно генерировать направленное излучение со сверхбыстрым временем отклика.
По мнению ученых их детище может стать отличным передатчиком для устройств связи, заменив медленные светодиоды в роли источника некогерентного света.
Для совершенствования той или иной технологии порой приходится смотреть на задачу под другим углом и, грубо говоря, выходить за рамки классического мышления. Данный труд успешно показал, что плазмонная метаповерхность в будущем может стать важным элементом сверхбыстрых люминесцентных материалов. А это открывает совершенно новый путь развития не только для FSOC с высокой скоростью передачи данных, но и для ныне используемых оптоволоконных систем.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
