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基于金刚石缺陷传感器的非线性光学响应纳米器件

2022-4-12 21:53| 发布者: everydayness| 查看: 455| 评论: 0

摘要: 日本筑波2022年4月1日电,筑波大学和日本高级科学技术研究所(JAIST)的科学家发现了一种用于温度传感的非线性光学方法,可以加速用于纳米级应用的纳米级传感器的开发。 该机构的研究人员监测了温度对引入到大块 ...
         日本筑波2022年4月1日电,筑波大学和日本高级科学技术研究所(JAIST)的科学家发现了一种用于温度传感的非线性光学方法,可以加速用于纳米级应用的纳米级传感器的开发。
         该机构的研究人员监测了温度对引入到大块金刚石中的氮空位(NV)缺陷非线性光学响应的影响。他们发现,当增加NV缺陷暴露的热量时,非线性谐波产生光的强度会降低。
         NV缺陷是由碳原子排列在金刚石立方晶格中形成的天然原子状缺陷;当两个相邻的碳原子被一个氮原子和一个空穴取代时,它们就会出现。NV缺陷具有不同寻常的量子和非线性光学特性,包括将两个甚至三个光子结合成一个单一的高能光子的能力,这个过程叫做谐波产生。当两个光子结合并产生一个能量为初始光子两倍的新光子时,这个过程被特别描述为二次谐波产生。

筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员利用钻石中类似原子的缺陷的非线性光学响应来建造一个微型温度计——筑波大学提供。

         利用红外波长的超短脉冲激光刺激,研究了金刚石NV缺陷二次谐波产生与温度的关系。研究小组观察到,当温度升高到20 ~ 300℃时,NV缺陷中的二次谐波产生的强度降低。
         随温度变化的谐波产生是由于折射率变化引起的相位不匹配——也就是说,钻石中不同颜色的光的速度不同。随着NV缺陷原子晶格的升温,原始光与谐波产生的高能光之间的折射差增大,从而降低了谐波产生的效率。
         科学家们利用一种基于带隙变化与变形势相互作用的模型,将温度依赖性与二次谐波产生强度进行了拟合。这使得该团队发现,在NV金刚石缺陷中,光学声子散射优于声声子散射。
         该团队指出,随着纳米光子学越来越多地用于开发新的光学器件,测量纳米尺度温度的能力将变得至关重要。在长度尺度小于几百纳米的应用中,传统的温度计通常太大或不实用。需要新的方法来开发微型的、非接触式的、光学的和量子的传感器,这些传感器可以用于微型设备和精确测量的应用。
         Tsukuba/JAIST团队的工作可以提供一种实现高精度、纳米级温度计的方法。研究人员Aizitiaili Abulikemu说:“这项研究为创建基于钻石的非线性光学温度传感提供了一种高效可行的方法。”
         未来的应用甚至可能包括一个小到可以嵌入活细胞的温度计。纳米温度计可以用激光远程探测到。
         “钻石可以加工成微小的探针尖端,作为纳米级温度传感器的一部分,”宗明基·哈泽教授说。

         该研究发表在《光学快报》上(www.doi.org/10.1364/OL.455437)。



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