Raggiungere il lasing multimodale con supercelle plasmoniche

Le sorgenti di luce multicolore hanno un sacco di usi, come l'illuminazione e l'invio di segnali. Un modo per creare luce multicolore in certi sistemi è attraverso un processo chiamato multi-mode lasing. In questo approccio, materiali speciali noti come array di nanoparticelle plasmoniche sono disposti in un pattern chiamato superlattice, che permette a diverse onde di luce di lavorare insieme. Ciascuna di queste onde può produrre colori di luce diversi.

In questo studio, presentiamo un metodo diverso per ottenere il multi-mode lasing usando array di nanoparticelle plasmoniche. Creiamo un'assegnazione speciale chiamata supercell all'interno di una griglia quadrata, lasciando alcuni punti vuoti. Questa configurazione porta a percorsi multipli per le onde di luce, consentendo energie diverse che possono supportare il lasing. Abbiamo svolto esperimenti che mostrano questo multi-mode lasing nella nostra array di supercell.

Per determinare quali onde di luce vengono prodotte, abbiamo calcolato il comportamento delle onde di luce nell'array. Guardando alla struttura del nostro design insieme a una configurazione a griglia vuota, abbiamo identificato i pattern di lasing. Abbiamo scoperto che i pattern di lasing chiave si verificavano in punti specifici all'interno della griglia. Modificando il layout della griglia per allinearlo all'emissione di luce dal materiale usato, abbiamo guadagnato il controllo su quali onde di luce avrebbero fatto lasing. Abbiamo anche trovato che i pattern di lasing mostrano un mix di due tipi di comportamenti delle onde di luce nelle misurazioni della polarizzazione della luce.

#Background sugli Array di Nanoparticelle Plasmoniche

Gli array di nanoparticelle plasmoniche mostrano proprietà uniche chiamate Risonanze della rete superficiale (SLRs). Queste sono interazioni tra le risonanze luminose di singole nanoparticelle e i pattern creati dalla griglia in cui sono disposte. Cambiare il design della griglia può facilmente spostare la posizione delle SLRs, garantendo che abbiano un buon fattore di qualità. Quando combinati con alcuni materiali emittenti luce come coloranti organici, questi array sono un ottimo modo per studiare come la luce interagisce con la materia.

Vari tipi di forme di griglia, come quadrati, rettangoli e esagoni, sono stati investigati per il lasing. Tipicamente, il lasing avviene in certi punti della griglia che hanno alta simmetria. Recentemente, i ricercatori hanno anche scoperto che possono utilizzare stati specifici all'interno di queste disposizioni per ottenere un lasing di altissima qualità.

Per applicazioni nell'illuminazione e nella comunicazione, le sorgenti che possono produrre colori multipli sono essenziali. Idealmente, queste sorgenti possono produrre luce rossa, blu e verde per creare luce bianca o luce vicino all'infrarosso per scopi comunicativi. Il multi-mode lasing è un approccio per raggiungere questo obiettivo permettendo il lasing simultaneo in modalità diverse. Per rendere questo possibile, devono essere presenti più bande di energia.

Un modo comune per creare queste bande di energia multiple è disporre array individuali in una struttura più grande, o superlattice, in modo che le onde di luce di ciascuna parte possano connettersi. Questo porta a bordi di banda a varie energie. Il multi-mode lasing è stato raggiunto in questi design di superlattice. Un altro metodo prevede di dividere un array quadrato in sezioni più piccole con pattern leggermente diversi, creando bordi di banda aggiuntivi che possono lasare insieme.

#Il Nostro Approccio di Ricerca

In questo studio, ci siamo concentrati su un reticolo quadrato plasmonico dove abbiamo creato una supercellula periodica rimuovendo alcune nanoparticelle da posizioni specifiche. Abbiamo svolto esperimenti combinando l'array con una soluzione di molecole di colorante. Quando abbiamo applicato pompaggio ottico, abbiamo osservato più picchi di lasing a diversi livelli di energia.

Per capire meglio la relazione tra i due tipi di disposizioni nel nostro sistema, abbiamo usato una tecnica chiamata Approssimazione della Griglia Vuota (ELA). Questa tecnica ci ha aiutato ad analizzare i comportamenti delle onde di luce in base alla struttura della griglia. Abbiamo notato che certe modalità apparivano solo a causa del nuovo layout della supercellula, che non si trovavano nel reticolo quadrato originale.

Queste nuove modalità erano presenti in punti critici definiti dalla supercellula. Il numero di particelle rimosse e le loro posizioni influenzavano come disperdevano le onde di luce. Utilizzando un'assegnazione periodica per rimuovere le particelle, abbiamo creato una nuova struttura con un diverso insieme di proprietà.

Oltre alla struttura principale, abbiamo trovato che nuove direzioni di diffusione apparivano, portando a caratteristiche aggiuntive nelle onde di luce. Alcune caratteristiche dell'assegnazione originale sono rimaste e abbiamo osservato connessioni tra i due layout nella nostra analisi.

#Risultati dagli Esperimenti di Lasing

Abbiamo usato un microscopio elettronico a semiconduttore per visualizzare il nostro array di nanoparticelle, dove alcuni punti della griglia erano stati appositamente lasciati vuoti. La struttura delle nanoparticelle si basava su un design a griglia quadrata. Le misurazioni di trasmissione mostrano chiare SLRs corrispondenti alla struttura quadrata sottostante.

Mescolando l'array di nanoparticelle con una soluzione di colorante, abbiamo pompato il sistema con un laser e abbiamo osservato che, man mano che aumentavamo l'intensità della pompa, apparivano diversi picchi stretti. Questi picchi indicavano attività di lasing a diversi livelli di energia. Abbiamo identificato i picchi di lasing a vari punti di energia, evidenziando la presenza di più modalità.

Incredibilmente, abbiamo scoperto che alcune modalità non mostrano lasing nei punti attesi nel reticolo originale, suggerendo che la disposizione modificata della supercellula consentisse a certe modalità di sperimentare più guadagni o avere perdite inferiori, che sono essenziali per il lasing.

#Controllare le Modalità di Lasing

Modificando il periodo della griglia quadrata per allinearlo all'emissione del colorante, potevamo sintonizzare quali modalità avrebbero fatto lasing. La geometria dell'array di nanoparticelle e aspetti come le posizioni dei punti vuoti nella griglia ci hanno offerto un modo per manipolare il comportamento di lasing.

Per verificare la natura delle modalità di lasing, abbiamo sperimentato con un array che condivideva gli stessi parametri. Tuttavia, questa volta, abbiamo aumentato la dimensione complessiva e la quantità di molecole di colorante presenti, portando a un segnale più forte. Abbiamo usato filtri di polarizzazione per esaminare come si comportavano queste modalità di lasing.

Le modifiche nella dimensione e nella concentrazione di colorante hanno comportato cambiamenti nello spettro di lasing osservato, con picchi più distinti che diventavano visibili. Alcuni picchi potevano essere rilevati solo con specifiche orientazioni del filtro di polarizzazione, indicando le caratteristiche miste delle modalità di lasing.

#Conclusioni e Direzioni Future

Abbiamo dimostrato con successo il multi-mode lasing in un reticolo plasmonico a supercellula. Introducendo questa speciale disposizione nel reticolo quadrato, abbiamo creato bande di energia aggiuntive necessarie per ottenere il lasing. I nostri calcoli hanno aiutato a individuare le modalità di lasing che sono emerse in base alla nuova configurazione.

Il design della supercellula che abbiamo impiegato offre un'opzione più compatta per creare multi-mode lasing rispetto ai metodi precedenti che prevedevano arrangiamenti di superlattice più grandi. Questo nuovo approccio apre possibilità per diverse configurazioni e design per controllare meglio il comportamento di lasing.

I risultati di questa ricerca suggeriscono molteplici vie per lavori futuri nel campo del multi-mode lasing. Modifiche nella distribuzione delle particelle o nei pattern delle supercellule potrebbero dare origine a nuovi bordi di banda. In generale, il nostro studio punta a un potenziale emozionante nella progettazione di sistemi laser intricati basati su array di nanoparticelle plasmoniche.