Dinaminis šviesos sklaidos valdymas greičiau nei eksploatavimo laikas, naudojant vo2 fazės pakeitimą | gamtos komunikacijos

Dinaminis šviesos sklaidos valdymas greičiau nei eksploatavimo laikas, naudojant vo2 fazės pakeitimą | gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Taikomoji fizika
  • Nanofotonika ir plazmonika
  • Optinė fizika

Anotacija

Moduliacija yra kertinis optinio ryšio akmuo ir tokiu būdu valdo bendrą duomenų perdavimo greitį. Šiuo metu dvi pagrindinės šviesos moduliavimo strategijos yra tiesioginis sužadintų emiterių populiacijos moduliavimas (pavyzdžiui, naudojant puslaidininkinius lazerius) ir išorinė optinė moduliacija (pavyzdžiui, naudojant Mach – Zehnder interferometrus arba žiedinius rezonatorius). Tačiau naujausi nanofotonikos laimėjimai siūlo alternatyvų būdą kontroliuoti savaiminį spinduliavimą keičiant vietinį optinių būsenų tankį. Čia, pasitelkdami vanadžio dioksido nanosluoksnio fazės pokyčius, parodome plačiajuosčio ryšio su visomis optinėmis tiesioginėmis 1, 5 μm spinduliuotės moduliaciją iš trivalenčių erbio jonų daugiau nei trim laipsniais greitesnį nei jų sužadintos būsenos laikas. Šis koncepcijos įrodymas parodo, kaip integracija su fazių kaitos medžiagomis gali paversti plačiai paplitusias fosforescuojančias medžiagas greitaeigiais optiniais šaltiniais, kuriuos galima integruoti į monolitinius nanoskalės prietaisus tiek laisvai erdvei, tiek lusto ryšiui palaikyti.

Įvadas

Derinamosios fazių kaitos medžiagų savybės suteikia jaudinančią galimybę modifikuoti optoelektroninių prietaisų optinį atsaką, galintį pasiekti ultra greitą 1, 2, 3, 4 greitį. Pavyzdžiui, fazių kaitos medžiagos buvo laikomos nanodalelių plėvelių ir įtaisų atspindžio ir perdavimo moduliavimo priemone 5, 6, 7, 8 . Mes siūlome naują sistemą, skirtą tiesiogiai modifikuoti šviesos srautą iš integruotų šaltinių greičiau nei jų spinduliuotės gyvavimo laikas. Koncepcija pagrįsta dinamišku manipuliavimu šviesa, pritaikant vietinį optinių būsenų tankį (LDOS). Tokia LDOS inžinerija gali būti naudojama šviesos sklaidos 9 krypčiai, poliarizacijai 10, 11 ir spektrui 12, 13 valdyti, net esant gyvavimo trukmės skalėms 14 .

Čia mes naudojame fazių keitimo medžiagas inžinerinėje optinėje aplinkoje, norėdami dinamiškai kontroliuoti savaiminį kvantinio spinduolio spinduliavimą. Mes pasitelkiame ypač greitą vanadžio dioksido (VO 2 ) 2, 3, 4 izoliacijos tarp metalų (IMT) (IMT) ir erbio jonų elektrinių dipolių (ED) ir magnetinių dipolių (MD) poliarizacijos simetrijos skirtumą. parodyti tiesioginį visiško optinio spontaninės spinduliuotės moduliavimą gyvavimo ciklo skalėse. Skirtas nuo tiesioginio „elektroninio“ nejudamojo III-V lazerių 15, 16, 17 moduliavimo ar optinio moduliavimo naudojant išorinius interferometrus 18, 19, 20, šis metodas leidžia tiek emiterį, tiek moduliatorių monolitiškai integruoti į vieną nanoskalės prietaisą. .

Rezultatai

Dizainas

Raktas optiniam moduliavimui realizuoti yra suprojektuoti daugiasluoksnę struktūrą, kad fazių kaitos sluoksnį būtų galima išoriškai perjungti valdymo lazeriu, tuo pačiu darant maksimalią įtaką emiterio sluoksnio LDOS. Paprastas dizainas šiam tikslui pasiekti yra ketvirčio bangos ilgio fazės kaitos sluoksnis (tai yra storis

Image

kur n yra lūžio rodiklis), esantis tarp emiterio sluoksnio ir metalinio veidrodžio, kaip parodyta 1a pav. Jei rietuvė sukonstruota tokiu būdu, yra

Image
fazinis efektyviojo optinio kelio ilgio poslinkis, kai VO 2 perjungiamas iš izoliacinės į metalinę būseną (1b pav., c), o tai maksimaliai padidina fazės pokyčio įtaką aplinkiniams LDOS.

Image

a ) Pavyzdžio eskizas. Pradinė dalis rodo ED ir MD radiacijos poliarizacijos simetrijas. b, c ) parodo ED ir MD emisijos procesų trukdžius, kai VO 2 sluoksnis yra atitinkamai izoliacinėje ir metalinėje fazėse.

Visas dydis

Kadangi šviesos sklidimo procesas priklauso ir nuo optinės aplinkos, ir nuo vidinių spinduolio savybių, inžinerinei spontaninei emisijai taip pat reikia žinoti apie pagrindinius elektroninius perėjimus (tai yra, spinduliavimo bangos ilgį ir dipolinį pobūdį). Erbio emisija, esanti 1, 5 μm, turi daugiapolį pobūdį ir rodo vienodą ED ir MD perėjimų įnašą 13, 21 . Naudodamiesi energijos impulsų spektroskopijos schema, parodyta 2a pav., Mes galime tiksliai išmatuoti vidinius ED ir MD perėjimo spinduliuotės greičius plonojoje Er 3+ plėvelėje: Y 2 O 3 (nuorodos 13, 22; papildomas pav. 1). Šios analizės rezultatai iliustruoja, kaip fotoliuminescencijos spektras (parodytas 2b pav.) Susidaro iš spektriškai skirtingų ED ir MD perėjimų (parodytų 2c pav.) 13 . Šių dviejų rūšių perėjimai paprastai turi skirtingą lauko simetriją: ED skleidžia simetriniais elektriniais laukais, o MD skleidžia antisimetriniais elektriniais laukais (1c pav.). Šį simetrijos skirtumą galima panaudoti dinamiškai padidinant (arba slopinant) jų sklidimą modifikuojant elektrinį ir magnetinį LDOS per VO 2 IMT ir todėl perjungiant šiuos skirtingus spektrus.

Image

a ) Eksperimentinis rinkinys, naudojamas įprastinei fotoliuminescencijai, energijos impulsų spektroskopijai ir laiko matavimams. b ) Vieno sluoksnio Er 3+ : Y 2 O 3 mėginio fotoliuminescencijos spektras. c ) Ekstrahuotosios spektriniu būdu išskiriamos ED (mėlynos) ir MD (raudonos) perėjimų, gautų teoriškai pritaikius eksperimentinius energijos impulsų spektrus (papildomas 1 pav.). AOM, akustinis-optinis moduliatorius; BL, Bertrand objektyvas; DM, dichroinis veidrodis; FM, atverčiamas veidrodis; Freq. sintezė, dažnio sintezatorius; func. gen., funkcijų generatorius; LL, lazerio linija; mikro. obj., mikroskopo objektyvas; Pol, poliarizacija; SP, trumpalaikis; SPAD, vieno fotono lavinos fotodiodas; trig., trigeris.

Visas dydis

Šiuo tikslu mes suprojektuojame daugiasluoksnę struktūrą (1 pav.), Kurią sudaro plonasluoksnis Er 3+ : Y 2 O 3 skleidėjas, TiO 2 tarpiklio sluoksnis, VO 2 sluoksnis ir Ag veidrodis. (LDOS išraiškos tokioje penkių sluoksnių sistemoje aiškiai nurodytos 1 papildomoje pastaboje kartu su susijusia schema 2 papildomame paveiksle). 3a paveiksle parodyta apskaičiuota MD emisijos moduliacijos amplitudė, priklausomai nuo VO 2 ir TiO 2 sluoksnių storio, kur:

Image
ir
Image
žymi Er 3+ MD išsišakojimo santykį skirtingose ​​VO 2 fazėse (daugiau informacijos skyriuje „Metodai“).

Image

a ) MD indėlio į Er 3+ emisiją apskaičiuotos moduliavimo amplitudės 2D spalvų diagrama, kai VO 2 fazės pokytis yra 1, 5 μm, atsižvelgiant į TiO 2 ir VO 2 storį. b ) ED (raudonos) ir MD (mėlynos) emisijos išsišakojimo santykio raida, atsižvelgiant į VO 2 storį (kur

Image
kaip pažymėta juoda linija a punkte, prieš (ištisinės linijos) ir po (punktyrinės linijos), indukuojant VO 2 izoliatoriaus ir metalo perėjimą. Juodoji linija žymi mūsų eksperimente naudojamą VO 2 storį. ( c, d ) Eksperimentiniai ir apskaičiuoti Er 3+ jonų spektrai, kai VO 2 yra ( c ) izoliacinėje ir ( d ) metalo būsenose. Eksperimentiniai spektrai parodomi atitinkamai tamsesne raudona ir mėlyna spalvomis, tuo tarpu teoriškai numatomi spektrai parodomi kaip juodos spalvos kietos linijos. Neįprastas, eksperimentinis; norma, normalizuota.

Visas dydis

ED ir MD emisijos perjungimas naudojant VO 2

Kaip galima pamatyti 3a pav., Specifinės sąlygos leidžia visiškai pakeisti išmetamo vyraujančio MD į vyraujančią ED (ir atvirkščiai), keičiant VO 2 . Norėdami eksperimentiškai ištirti šį tiesioginį Er 3+ šviesos sklidimo moduliavimą, kurį sukelia VO 2 fazės pokytis, mes pagaminome daugiasluoksnę struktūrą su

Image

ir

Image
. Šiai konkrečiai geometrijai prietaisas yra suprojektuotas taip, kad emiterio sluoksnis turėtų aukštą magnetinę LDOS, kai VO 2 yra izoliacinėje būsenoje, bet pereina į aukštą elektrinį LDOS, kai VO 2 yra metalo būsenoje, kaip parodyta 3b pav.

Užtemdyta kreivė 3c pav. Rodo išmatuotą mėginio spektrą, kai jis nuolat pumpuojamas 532 nm lazeriu. Kaip ir tikėtasi, spektras primena daugiausia išmetamo MD spektrą (kaip galima pastebėti palyginus su vidine MD norma 2c pav.). Tuomet, naudodami 1064 nm kontrolinį pluoštą, mes savarankiškai suaktyviname VO 2 fazės pakeitimą ir parodome vietinę optinės aplinkos optinę moduliaciją, taip pat ir išmetamąją spinduliuotę. (Atkreipkite dėmesį, kad 1064 nm kontrolinis lazeris pasirinktas kaip nerezonuojantis su bet kokiais Er 3+ perėjimais). 3d paveiksle parodytas gautas Er 3+ emisijos spektras, apšviečiamas tiek 1064 nm kontroliniu lazeriu, tiek 532 nm siurblio lazeriu, ir mes matome aiškų gauto spektro skirtumą. Palyginti su 3c pav., 3d pav. Spektras rodo atskirų išmetamųjų teršalų smailių padidėjimą tarp 1 450 ir 1 520 nm, o tai rodo perėjimą nuo vyraujančios MD emisijos prie dominuojančios ED emisijos (daugiau informacijos papildomame 3 pav.). Tai aiškiau parodo 4a pav., Kur kartu pateikiami eksperimentiniai Er 3+ spektrai, gauti izoliacijai ir metaliniam VO 2 . Be to, išjungus 1 064 nm lazerio valdymo spindulį, Er 3+ emisija vėl tampa pradine spektrine forma.

Image

a ) Eksperimentiniai Er 3+ jonų spektrai, kai VO 2 yra izoliacinėje būsenoje (raudona) ir metalo būsenoje (mėlyna). b ) Er 3+ jonų, paveiktų impulsinio 532 nm sužadinimo metu, fotoluminescencijos intensyvumo, atitrūkančio nuo laiko, pėdsakai. Įžanga rodo gyvenimo trukmės priepuolius, rodančius ir greitą (žalią), ir lėtą (raudoną) skilimo indėlius per visą gyvenimą

Image
ir
Image
, atitinkamai. c ) Laiku išspręsta normalizuota Er 3+ jonų fotoliuminescencija daugiasluoksnėje struktūroje, kai ji nuolat pumpuojama 532 nm lazeriu, o VO 2 tuo pačiu metu įjungiamas impulsų 1, 064 nm sužadinimo dažniu 200 kHz kartojimo dažniu. Atkreipkite dėmesį į trijų laipsnių skirtumą c skalėje, palyginti su b . Mėlyna ir raudona kietos linijos žymi du skirtingus dažnių juostos pralaidumo (BP) filtrų spektrinius diapazonus (atitinkamai 1450–1 520 nm ir 1 538–1 562 nm). Brūkšniuotos linijos rodo teorinę maksimalią moduliaciją, apskaičiuotą pagal spektrą a .

Visas dydis

Išmatuotus vidinius greičius (2c pav.) Ir optines savybes (tai yra atskirų sluoksnių storį ir lūžio rodiklį) teoriškai galime numatyti normalizuotos fotoliuminescencijos spektrą kaip VO 2 būklės funkciją (žr. Skyrių „Metodai“ ir papildomą pav. .4). Naudojant išmatuotus VO 2 lūžio rodiklius izoliuojančioje būsenoje, kaip parodyta 3c pav., Teorinė prognozė (juoda linija) gerai sutampa su eksperimentiniu spektru be 1064 nm lazerio apšvietimo (užtemdytas raudonas plotas). Šie skaičiavimai izoliuojančiai būsenai rodo, kad transition 70% visos emisijos atsiranda dėl MD perėjimų. Be to, kaip parodyta 3d pav., Kai naudojame išmatuotus VO 2 lūžio rodiklius metalinėje būsenoje, mes tiksliai prognozuojame eksperimentinį spektrą, gautą esant 1 064 nm apšvietimui. Metalų būklės skaičiavimai rodo, kad MD perėjimai sukelia daug mažesnį išmetamųjų teršalų procentą (∼ 21%), o didžiąją išmetamųjų teršalų dalį (∼ 79%) lemia ED perėjimai.

Spontaniškos emisijos moduliavimas yra greitesnis už eksploatavimo laiko ribą

Todėl eksperimentiškai įrodėme, kad maždaug 3 μm Er 3+ jonų skleidžiama šviesa gali būti kontroliuojama iš MD dominuojančios emisijos į ED dominuojančią emisiją. Šio derinimo rezultatas yra reikšmingas šviesos sklidimo spektrinės formos, intensyvumo ir poliarizacijos moduliavimas. Bet du svarbiausi fazių kaitos medžiagos panaudojimo šviesos skleidimui modifikavimo padariniai yra šie: (i) Gauta moduliacija yra plačiajuosčio ryšio: šiame eksperimente ji apima įprastų šviesolaidžių S-, C- ir L-juostas. bendravimas. Be to, atsižvelgiant į ultra plačiajuosčio VO 2 lūžio rodiklio derinimą (papildomas 5 pav.), Moduliacijos diapazoną galima lengvai išplėsti iki trumpesnių bangų ilgių (iki nm 500 nm). (ii) Šiuo visišku optiniu jungimu išnaudojamos LDOS modifikacijos, o ne pumpuojamos ir išjungiamos šviesos skleidimą reguliuojančios elektroninės sistemos (papildomi 6 ir 7 pav.). Yra esminis šių dviejų procesų laiko skalių skirtumas. Pavyzdžiui, kai Er 3+ jonai yra veikiami impulsinio sužadinimo, skilimo proceso trukmę iš esmės riboja ilgas emiterių eksploatavimo laikas. Tai akivaizdžiai parodo 4b pav., Kur visiškai sunaikinti fotoliuminescenciją iš 4 I 13/2 sužadintos būsenos reikia beveik 10 ms. Kita vertus, jei mes naudojame 532 nm lazerį kaip nuolatinio sužadinimo šaltinį ir impulsinį 1064 nm lazerį, norėdami dinamiškai perjungti VO 2 fazę, mes galime moduliuoti emisiją daug greičiau nei Er 3+ skilimo laikas.

4c paveiksle pavaizduota normalizuota fotoluminescencija, išskaičiuota pagal laiką, esant dviem bangos ilgio diapazonams: S juosta (1 450–1 520 nm; dominuojanti ED, mėlyna linija) ir C juosta (1 540–1 560 nm; MD dominuojanti, raudona linija). ), kai 1 064 nm kontrolinis lazeris yra susmulkinamas akustiniu optiniu moduliatoriumi (AOM), pasikartojimo dažniu 200 kHz (žr. 2a pav., kur pateikta schemos schema, ir metodus, kad būtų išsamiai aprašyti matavimai). Mes sugebame aiškiai moduliuoti šviesos sklaidą laiko skalėmis daugiau nei trimis didumo laipsniais greičiau nei Er 3+ jonai. (Atminkite, kad be VO 2 sluoksnio moduliacija nepastebima). Be to, mes pastebime, kad sustiprinus S juostos ED emisiją (mėlynoji linija), tuo pačiu metu slopinama C juostos MD emisija (raudona linija): aiškus požymis, kad moduliuota emisija atitinka susietą ED ir MD LDOS pokyčiai. Atkreipkite dėmesį, kad stebimas intensyvumo moduliacijos santykis 2: 1 atsiranda dėl to, kad naudojame spektriškai sumaišytus ED ir MD perėjimus. Net pereinant nuo stiprios MD emisijos (72% MD) prie stiprios ED emisijos (21% MD), gauta intensyvumo moduliacija bus mažesnė už vidutinį greičio pokytį (pavyzdžiui, 72% / 21%), nes ED ir MD emisija yra sumaišytas visame bangos ilgio regione. Didesnį moduliacijos gylį būtų galima pasiekti pasinaudojant papildomais spektro intensyvumo skirtumais, tokiais kaip ED ir MD emisijos skirtingos fazės ir poliarizacijos simetrijos 22 . Pavyzdžiui,

Image

- Fazių poslinkis tarp ED ir MD perėjimų galėtų būti naudojamas diferenciniam fazių poslinkio raktų moduliavimui 23 .

Diskusija

Mes tikimės, kad pagrindinė moduliacijos greičio riba bus žymiai greitesnė nei ši pradinė demonstracija. Mūsų eksperimente perjungimo greitį daugiausia riboja AOM, naudojamas moduliuoti 1064 nm kontrolinį lazerį. Teoriškai dinamišką emisijos moduliavimą, suderinant LDOS, riboja tik sulėtėjimo efektai (tai yra laikas, reikalingas šviesai sklisti iš emiterio į atspindintį sluoksnį ir atgal). Todėl siūlomas prietaisas turėtų leisti moduliavimo greitį priartėti prie VO 2 IMT laiko skalės, kuris gali būti toks greitas kaip keli šimtai femtosekundžių 2, 3 . Didžiausias mūsų prietaiso perjungimo greitis gali būti patikrintas būsimuose tyrimuose, naudojant ultra greitą lazerį (pvz., Ti: Sapphire), kad būtų galima perjungti VO 2 (nuorodos 2, 4), tuo pačiu metu nuolat pumpuojant Er jonus ir stebint jų liuminescenciją. Kaip alternatyva, būtų galima elektriškai modifikuoti VO 2 sluoksnį, kad būtų pašalintas ultra greito lazerių poreikis, ir, savo ruožtu, ištirti įrenginio veikimą praktiškesniame darbo režime.

Fazinių kaitos laikmenų, tokių kaip VO 2, naudojimas dinaminei spontaninės emisijos kontrolei leidžia visiškai integruoti įrenginį į vieną lustą. Tokia monolitinė ir nevienalytė integracija čia parodyta pirmą kartą. Be to, naudojant fazių keitimo medžiagas, žymiai padidėja LDOS moduliacijos greitis, palyginti su pradiniais mechaniniais metodais, naudojant pjezoelektriniu būdu valdomus veidrodžius 14 . Dinaminis spontaninės emisijos moduliavimas šiame monolitiniame nanoskalės įrenginyje gali pasiekti ultra greitą greitį iki VO 2 fazės pereinamosios kinetikos.

Pateikto prietaiso geometrija yra labai paprasta: jį sudaro krūva plokščių nanosluoksnių. (Žr. Papildomą 8 pav., Kad būtų parodytas pakartotinis Er 3+ emisijos moduliavimas, naudojant skirtingą daugiasluoksnį pluoštą su silicio tarpikliu ir auksiniu veidrodžiu.) Nors atitinkami storiai yra labai svarbūs moduliacijos amplitudės planavimui, nėra jokių apribojimų šoniniai matmenys. Iš tikrųjų šiame eksperimente abu lazerio pluoštai buvo apriboti difrakcijos ribotoje vietoje. Todėl tokį įtaisą būtų galima lengvai integruoti į įvairias struktūras, įskaitant ertmes, bangolaidžius ir šviesą skleidžiančius įtaisus. Nors šis pradinis demonstravimas buvo sutelktas į optinį moduliavimą, VO 2 perjungimas taip pat galėjo būti atliekamas elektra įjungiant IMT 24, 25 (žr. 2 papildomąją pastabą apie perjungimo energiją). Kartu su elektroliuminescenciniais prietaisais 26, 27 galima gauti tiesioginį visos elektrinės spinduliuotės moduliavimą. Pateikta koncepcija neapsiriboja Er 3+ jonais ir VO 2 . Tiesą sakant, dinaminę LDOS moduliaciją būtų galima išplėsti į bet kokią fazių kaitos medžiagą, kuriai būdingas didelis optinių savybių pokytis 1, 5, 7, 28, ir bet kokius spinduolius su spektriniu atžvilgiu artimais ED ir MD perėjimais. Tokie spinduliuotės apima ir lantanidą 14, 21, ir pereinamojo metalo nusodintas medžiagas 29, 30, kurios plačiai naudojamos kaip fosforos kietojo kūno šviesos šaltiniuose. Todėl tikimės, kad čia pristatytas prietaisas ir koncepcija sudomins akademinius ir pramonės tyrinėtojus, dirbančius optoelektronikos ir nanofotonikos srityse.

Metodai

Įrenginio gamyba

145 nm storio Y 2 O 3 buferinis sluoksnis buvo nusodinamas garinant elektroniniu pluoštu, po to sekant 50 nm storio Er 3+ : Y 2 O 3 plonos plėvelės skleidėju ir padengtas ∼ 5 nm Y 2. O 3 sluoksnis. Tada mėginys 1 valandą atkaitinamas 900 ° C temperatūroje, naudojant O2 srautą (0, 5 lpm), kad būtų galima suaktyvinti Er 3+ jonus ir kristalizuoti Y 2 O 3 . Tada TiO2 tarpiklio sluoksnis buvo nusodintas reaktyviai purškiant gryno titano taikinį kontroliuojamu O2 / Ar santykiu (5% / 95%). TiO2 sluoksniui homogenizuoti buvo atliktas žemos temperatūros atkaitinimas (500 ° C, 0, 5 lpm O2). Ant šio tarpiklio sluoksnio VO 2 nusodinamas purškiant V 2 O 5 taikinį dalinėje O 2 / Ar atmosferoje (0, 08 sccm O 2 ir 49, 92 sccm Ar), išlaikant substratą 550 ° C temperatūroje (nuoroda 24). ). Galiausiai iš gryno Ag taikinio buvo purškiamas 200 nm sidabro sluoksnis gryno argono atmosferoje. Visų sluoksnių storiai, išskyrus VO 2 sluoksnį, buvo stebimi vietoje, naudojant kvarco mikrobalansą. Visi lūžio rodikliai ir storiai buvo išmatuoti nusodinant elipsometrija.

Eksperimentinis nustatymas

Įprastinis mėginio fotoliuminescencijos spektras buvo gautas naudojant apverstą mikroskopą, kuriame mėginio sužadinimui ir šviesos skleidimui buvo naudojamas aliejaus panardinimo (× 100, 1, 3 NA) objektas. Er 3+ jonai buvo pumpuojami naudojant 532 nm dažnio dvigubai padidintą Nd: YVO 4 lazerį (Coherent Verdi). Lazerio linija ir emisija iš mėginio buvo atskirta 665 nm dichroiniu veidrodžiu. Artimosios infraraudonosios spinduliuotės spinduliuotė buvo nukreipta į vaizdo gavimo spektrografą (IsoPlane SCT 320), kuris vėliau buvo išsklaidytas (grotelės su 300 eilučių mm, kurių plotis 1, 2 μm) ir aptiktos 2D InGaAs detektorių matricu (NIRvana, Princeton Instruments). Išmatuoti duomenys buvo pataisyti atsižvelgiant į optinio įrenginio spektrinę ir poliarinę priklausomybę naudojant kalibruotą kvarco volframo halogeno lempą (Newport, Oriel 63355).

Energijos impulsų spektroskopijai atlikti buvo naudojamas 100 mm „Bertrand“ objektyvas, kuris pavaizdavo objektyvo užpakalinę židinio plokštumą ir tokiu būdu parodytų spinduliavimo spinduliuotės modelį ant spektrografo įėjimo plyšio. Tada, naudojant sukamąjį poliarizatorių, buvo gauti s - ir p - poliarizuotos užpakalinės židinio plokštumos spektrai, 2D NIR fotoaparate atvaizduojant energijos ir impulsų išskaidytą fotoliuminescenciją. Visiškai optinės moduliacijos eksperimentas buvo atliktas sufokusuojant 1064 nm lazerį ant mėginio per tą patį × 100 objektyvą. Lazerio linija buvo išfiltruota 1 064 nm dichroinio veidrodžio ir 1 064 nm ilgio pralaidumo filtru. Tikslus 532 nm ir 1 064 nm lazerių suderinimas buvo įgalintas naudojant okuliaro kamerą, kad būtų galima stebėti jų atitinkamų židinių padėtį. Er 3+ spektras : Y 2 O 3 su VO 2 izoliuojančioje ir metalinėje būsenose buvo gauti panašiai kaip aukščiau aprašyta fotoliuminescencija, paprasčiausiai įjungiant ir išjungiant 1064 nm lazerį. Laiku išspręsta fotoliuminescencija buvo įgyta su laiku sujungtu pluoštu sujungtu „InGaAs“ / „InP“ vieno fotono lavinos fotodiodu, o daugiakanaliam analizatoriui (Stanford Research System 430) buvo naudojamas fotono atvykimo laiko histograma. Atliekant įprastinius Er 3+ jonų matavimus, 532 nm lazeris buvo modifikuotas mechaniniu smulkintuvu 38 Hz dažniu. Dinaminis LDOS moduliavimas per VO 2 perjungimą buvo atliktas supjaustant 1, 064 nm lazerį su AOM. Du kaskadiniai filtrai (1 350 nm ir 1 450 nm) buvo kaskaduojami (bendras OD 10) ir sistemingai naudojami blokuoti lazerio liniją prie vieno fotono lavinos fotodiodo įėjimo, o papildomi dažnių juostos filtrai buvo naudojami matuojant specifinius bangų ilgių diapazonus.

Vidinių išmetamųjų teršalų normų kiekybinis įvertinimas

Norėdami nustatyti vidinius ED ir MD išmetimo lygius, išmatuojome Er 3+ : Y 2 O 3 emiterio sluoksnio energijos impulsų spektrus kvarce regione be TiO 2 / VO 2 / Ag dangos sluoksnių (papildomas 1 pav. ). Taikydami šią metodą, mes išmatuojame Er 3+ skleidžiamos šviesos pasiskirstymą kaip bangos ilgio funkciją

Image

ir impulsas plokštumoje ( k || ). Taikant procedūrą, pirmą kartą aprašytą Taminiau et al. 22, eksperimentiniai energijos impulsų skerspjūviai šioje trijų sluoksnių sistemoje buvo tinkami:

Image

kur C yra bendras mastelio koeficientas, skirtas atsižvelgti į eksperimentinius parametrus, kurie daro įtaką išmatuotų skaičių skaičiui, bet neturi įtakos radiacijos modeliui.

Image
ir
Image
yra normalizuota trijų sluoksnių sistemos LDOS, apskaičiuota naudojant ref. papildomos informacijos (S11 – S14) lygtis. 22. (Atminkite, kad trijų sluoksnių LDOS išraiškas galima lengvai gauti iš penkių sluoksnių sistemos išraiškų, pateiktų 1 papildomoje pastaboje, nustatant n 0 = n 1 = n 2 = 1). Naudodami (1) lygtį galime pritaikyti energijos impulsų spektrus spektriniu būdu išskaidytiems Einšteino A koeficientams ( A ED ir A MD ). Šie koeficientai, parodyti 2c pav., Parodo santykinius ED ir MD vidinius spinduliuotės greičius kiekviename bangos ilgyje ir yra proporcingi vidiniams greičiams, kurių galima tikėtis vienalytėje terpėje.

Modifikuotų emisijos spektrų teorinis apskaičiavimas

Norėdami numatyti, kaip Er 3+ išmetamųjų teršalų spektras bus pakeistas VO 2 fazės pokyčiu, naudojame išmatuotus vidinius išmetamųjų teršalų dydžius,

Image

ir

Image
, išvestas iš trijų sluoksnių emiterio ant substrato sistemos kartu su teoriškai apskaičiuota LDOS penkių sluoksnių įrenginio struktūrai (aprašyta 1 papildomoje pastaboje). Vidinės emisijos normos ir atitinkamo integruoto LDOS sandauga sukuria elektrinio ir magnetinio perėjimo spinduliuotės mažėjimo greitį:

Image
Image

kur LDOS yra integruota į momentą per reikšmių diapazoną, kurį renka mūsų vaizdo sistemos skaitmeninė diafragma (NA):

Image

ir

Image

Atkreipkite dėmesį, kad lygtyse (4 ir 5) mes integruojamės per liniją pagreičio ir erdvės erdvėje, o tai atitinka eksperimentinį išdėstymą, kai spektras surenkamas po Bertrand objektyvu per siauro plyšio spektrometrą.

Skleidžiamos šviesos intensyvumas yra proporcingas bendram skleidžiamos šviesos greičiui,

Image
. Todėl teorinį normalizuotą intensyvumą galima apskaičiuoti taip:

Image

kur I max ir Γ max žymi atitinkamai maksimalias šviesos stiprio ir bendrojo emisijos greičio vertes, artimas 1, 5 μm. Naudodami lygtis (2, 3, 4, 5, 6) galime apskaičiuoti numatomą Er 3+ emisijos spektrą abiem VO 2 fazėms. Kaip matyti 3c, d pav., Tarp numatytų ir išmatuotų spektrų yra puikus suderinamumas. Kaip pavyzdys, papildomame 4 pav. Parodyti apskaičiuoti spektrai (juoda linija), suskaidyti į ED (tamsiai mėlyna sritis) ir MD (tamsinta raudona sritis) indėlius.

Šakų santykio modeliavimas

Norėdami kiekybiškai įvertinti šviesos sklidimo dalį, atsirandančią dėl MD ar ED perėjimų, apibrėžiame išsišakojimo koeficientus (

Image

ir

Image
) kaip TiO 2 tarpiklio sluoksnio storio funkcija
Image
ir VO 2 sluoksnio storis
Image
:

Image

kur

Image
yra nuo fazės priklausomas VO 2 lūžio rodiklis. Atlikdami skaičiavimus, naudojame VO 2 bangos ilgio duomenis 25 ir 95 ° C temperatūroje, išmatuotus „Jianing Sun“ iš „JA Woollam Company“, kad būtų galima atitinkamai modeliuoti izoliacinę ir metalinę fazes (papildomas 5 pav.). Sudėtingam sidabro sluoksnio lūžio rodikliui naudojame Lorentz – Drude modelį, pateiktą Rakić ir kt. 31

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    1-8 paveikslai, 1-2 papildomos pastabos ir papildomos nuorodos

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.