文摘

我们显示理论和实验研究的全光学开关信号基于激光等离子体通道控制激光诱导。使用等离子体通道二硫化碳(CS中生成₂)解决方案,可以调制信号光作为一些空间分布包括不变,环形光束强度和其他配置文件。信号的调制光可以方便地调整通过改变控制光的入射强度分布。我们可以推断出的黑点形状调制信号激光通过控制激光束的强度剖面。这些结果提供的巨大潜力引起的等离子体通道激光作为各种光电应用的全光开关。

1。介绍

全光开关是一种全光信号处理的重要组成部分,旨在对高速光通信(1,2)和高性能光学计算(3- - - - - -5]。由于控制光传播的特殊性质,光子晶体全光交换被认为是有前途的未来。两个光子晶体(PC)蛀牙,金属电脑,电磁感应透明PC nanocavities [6,7)据报道,用于全光开关。由于强有力的局部场增强效应,高定位,突破衍射极限的,表面等离子体选择实现超快全光开关与能源消耗。在2016年,茶et al。成功地设计了一个超快全光开关使用plasma-photon-hybrid nanostructures-coated多组分纳米复合材料(8]。Neiraet al。提出了一个通用,易于实现方案的全光开关使用epsilon-near-zero(劳动部)材料9,10]。Microring谐振器也通常被认为是一个理想的平台,展示全光学开关(11,12]。各种结构材料还提供想法和高性能实现全光开关。可切换的设备设计,超快全光开关已经实现了基于硅晶体通用电气、砷化镓和时代/砷化镓超晶格(13- - - - - -16]。使用相变材料(如二氧化钒,锗锑碲化和通用电气₂某人₂Te₅),高速全光调制激光信号的报道(17- - - - - -19]。埃利斯et al。探索两种机制的全光学开关铁磁物质(20.),建模超快全光开关在合成Gerlach铁磁性材料被证明了et al。(21]。石墨烯,拓扑绝缘体、过渡金属dichalcogenide和其他二维材料(22- - - - - -24)被证明是出色的候选人创造新颖的超快全光交换设备。

当激光脉冲在非线性传播媒体,等离子体通道是由电离生成的。电子密度分布和等离子体的折射率分布是不均匀的。根据费马原理,梁改变其传播方向的等离子体通道。以前,我们使用的等离子体通道等离子体光学调制激光束(25,26]。自然地,一个想法是表明,等离子体可以是一个很好的非线性介质实现全光开关。

在本文中,首先,我们从理论上研究全光开关信号基于激光等离子体通道。然后,保持控制执行的动态实验是光和信号光通过CS copropagating₂。我们观察信号的调制激光诱导等离子体通道在CS₂。发现,信号灯可以作为一些调制空间强度分布(不变、环形梁和其他强度资料)通过改变入射强度的控制光,和相应的机制进行了探讨。理论分析和实验结果是一致的,这充分说明了这种全光开关引起的等离子体通道是合理的。

2。理论分析

我们考虑一个线性偏振激光的传播在预成型的等离子通道。相对论效应的非线性和梁上的有质动力的非线性是被忽视的。归一化方程来描述激光光束的传播是由(27] 在哪里 , ,规范化的群速度,规范化的电场振幅,分别和等离子体频率。

修改后的近似解的振幅可以派生Wentzel-Kramers-Brillouin-Jeffreys (WKBJ近似)(25]。

我们考虑信号的传播与高斯激光束概要文件 。控制激光器也有一个高斯强度分布 ,在那里和分别是初始轴向振幅和波束宽度。D₁和D₂是常数,控制激光具有不同的空间分布在不同D₁和D₂。原子电离程度正比于激光束的光强度。导致等离子体通道高斯电子密度分布和产生的折射率。等离子体中的电子密度可以表示为频道 在哪里z,n₀,传播距离,初始轴向电子密度,分别和等离子体通道宽度。

所以,振幅方程的近似解2)是由 在哪里是关键的等离子体密度。

图1(一)显示了一些控制激光束的空间强度分布与D₁= 1,1 / = 0.8毫米(半角e强度点)。图1 (b)显示了一些信号激光束的空间强度的概要文件。当D₁= 0和D₂= 0,控制激光的强度在不同空间区域是一个常数。导致等离子体通道与一个常数电子密度和折射率产生。不是偏转信号光在等离子体中的传播。因此,从图是很容易的1 (b)看到信号激光保持其初始强度剖面(D₁D = 0,₂= 0)。当控制激光在非线性传播媒体,电离产生的等离子体通道。宽度、长度和初始轴向等离子体电子密度的设置为0.3毫米,5毫米,0.02n_c,分别。基于等离子体光学调制效应(25,26),信号环形光束的调制激光等离子体兴奋的控制激光(D₂= 1)。作为维₂= 2,控制激光的空间分布是一个椭圆形状。调制信号光束中的黑点也在一个椭圆形状,椭圆的长轴X方向。作为维₂不断增加,主要的轴是远远超过其短轴。图2生动地显示相应的横条线(x= 0)(a)控制的激光和(b)信号激光当D₂调优。作为显示在图2控制激光的波束宽度随D的增大而减小₂。暗点的光强度调制激光信号减少的D₂增加。信号的调制激光可以方便地调整D₂。我们可以推断出黑点通过控制激光束的强度剖面形状。

图3(一个)显示了一些用D控制激光束的空间分布₂= 1。图3 (b)显示信号激光束的空间配置文件在不同控制光束。当D₁= 2,调制信号光束的黑点是一个椭圆的形状,其主要轴是变成了Y方向。继续增加维₁调制信号的调制区域梁增加。激光调制信号的能量主要集中在中部地区。这些结果说明可以调制光信号来实现一些空间分布通过改变控制光入射强度分布。它证实了一些光开关的实现包括不变,环形光束,强度和其他配置文件。

3所示。实验结果

实验装置示意图如图所示4。基于等离子体通道的全光学开关由使用飞秒脉冲激光器,这是来自一个光学参量放大器(Libra-S一致)。激光泵由Ti:蓝宝石的脉冲重复率1 kHz。Libra-S激光再生放大器系统包含所有必要元素的超短脉冲放大到乔丹的水平。元素包括种子激光维特斯,泵激光Evolution-15,光脉冲展宽器、再生放大器,光脉冲压缩器。还提供了与Libra-S同步和延迟发生器控制的精确再生放大所需时间。飞秒激光脉冲激光(控制)是用于生产等离子体通道。我们使用控制激光调查全光学开关基于等离子体通道。氦氖激光器作为激光信号。控制激光和激光信号的激发波长800 nm和632 nm,分别。 Intensity profiles of control and signal beams are nearly Gaussian, with beam width of 0.5mm and 1.3mm (full width at half maximum), respectively. The intensity of control light is changed by attenuation slices. We use a beam shaping device (SD) to change the intensity distribution of the control beam. In the experiment, a cylindrical lens with focal length of 100 mm is used to act as SD. A high-resolution CCD camera (CCD1) is set for real-time monitoring the spatial evolution of control lasers. CS₂解决方案是包含在一个石英试管;它作为非线性介质。控制光和信号光通过CS保存copropagating₂。捕获的信号光束的空间配置文件和实时监控的一个固定CCD2相机。前面的衰减器使用CCD避免饱和和伤害。

数据5 (b)和5 (c)显示控制光束的空间强度分布与x-modulated CCD1 y-modulated记录。数据5 (d)- - - - - -5 (f)展示空间的探测光束条件下无法控制激光,x-modulated, y-modulated控制光。相应的配置文件在图所示6。在缺乏控制光,没有等离子体生成,保持原来的信号光强度轮廓不变(数字5(一个)和5 (d)]。当控制光束通过柱面透镜聚焦,从图是很容易的5 (b)它的空间强度分布发生了变化。其空间分布不是完全对称的X和Y位置,类似于一个椭圆形状,及其主要的轴是在X的位置。导致等离子体通道与生成的电子密度的非对称高斯分布。所以,一个椭圆形的黑点出现在调制信号激光;其主要的轴是在X方向上(图5 (e)]。如果控制梁由柱面透镜聚焦在Y位置,控制激光的强度分布是立即发生了变化。等离子体的电子密度分布通道也将改变。因此,黑点的形状改变同步信号光和椭圆的主轴是Y方向(数据改变5 (c)和5 (f)]。如果控制激光的空间分布可以方便地调整,预计信号激光调制到激光器与任何空间形象。实验结果证明一些光开关的实现包括不变,环形光束强度和其他配置文件。我们可以动态地监控信号的光学开关激光通过观察控制激光的空间形状变化。

4所示。结论

在这项工作中,我们从理论和实验证明全光学开关基于等离子体通道引起的飞秒激光脉冲在CS₂。实验结果证实了我们的理论分析。信号光可以通过改变调制控制入射强度分布。结果表明一些光开关的实现包括不变,环形光束,强度和其他配置文件。我们可以实时监测激光光学开关信号通过观察空间控制激光的强度变化。

数据可用性

参数和数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了中国国家自然科学基金(赠款U1501253号和61875054),湖南省自然科学基金(2018年授予nos。jj3189和2017 jj3087),湖南省教育科学研究基金部门(授予nos。17 c0624 15 a063),和医生的科研启动基金湖南科技大学(批准号E51662)。