Journal Club 2016 | Gruppo di struttura fotonica Tanabe

Club del giornale

Per anno (aprile-dicembre)

＜Sessione di ascolto del "Journal Club".

ESERCIZIO 2016.

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A differenza dei laser Raman e Brillouin, i laser Lipron sono prodotti da uno scambio di energia tra luce e onde capillari. Le onde capillari sono intrinseche ai liquidi e oscillano utilizzando la tensione superficiale come forza di ripristino. L'interazione tra luce e onde capillari è stata misurata utilizzando una microgoccia di ottano intrappolata in acqua con una pinzetta ottica come risonatore opto-capillare. I risultati mostrano che si prevede un raffreddamento opto-capillare a temperatura ambiente verso lo stato fondamentale.

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È stata ottenuta una sintonizzazione continua del livello di luce spremuta generato da due risonatori ad anello in nitruro di silicio con micro-riscaldatori integrati. Variando lo stato di accoppiamento con la guida d'onda, si sono osservate variazioni del livello compresso in un intervallo di 0,9 dB~3,9 dB. Questi risultati possono avere un ruolo importante nelle applicazioni in cui è richiesto un livello di compressione appropriato.

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Le future tecnologie dell'informazione, come la registrazione ultrarapida dei dati, il calcolo quantistico e la spintronica, richiederanno un controllo degli spin senza precedenti da parte della luce. Impulsi intensi di terahertz possono accoppiarsi agli spin sulla scala di energia inerente all'eccitazione magnetica. In questo lavoro studiamo un nuovo meccanismo di accoppiamento non lineare terahertz-spin mediato da dipoli elettrici, molto più forte dell'accoppiamento lineare Zeeman con campi magnetici terahertz. Dimostriamo che l'eccitazione risonante a terahertz delle transizioni orbitali elettroniche in un tipico antiferromagnete, l'ortoferrite di tulio (TmFeO 3 ), modula l'anisotropia magnetica degli spin ordinati del Fe 3+, producendo oscillazioni di spin coerenti con grande ampiezza. Il meccanismo è intrinsecamente non lineare, può essere modulato mediante la modellazione spettrale della forma d'onda terahertz e l'efficienza supera la coppia di Zeeman di un ordine di grandezza. Poiché gli stati orbitali dominano l'anisotropia magnetica in tutti gli ossidi di metalli di transizione, lo schema di controllo qui dimostrato dovrebbe essere applicabile a molti materiali magnetici.

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Una coppia di due risonatori paralleli in cristallo fotonico 1D, una coppia per ciascuna luce di pompa e di sonda, è stata utilizzata per fabbricare una struttura in cui si influenzano reciprocamente tramite oscillazioni meccaniche. Il vantaggio di questa struttura è che i percorsi ottici della luce di pompa e della luce di sonda sono diversi. Le frequenze di oscillazione dell'optomeccanica osservate dai risultati sperimentali sono in buon accordo con i risultati dei calcoli FEM. Sono stati ottenuti anche risultati sperimentali in cui la luce di pompa modifica dinamicamente lo spettro di trasmissione del risonatore a cristallo fotonico corrispondente alla luce di sonda, che si prevede di applicare agli oscillatori.

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Un supercontinuum con un centro di 1550 nm e uno spread di un'ottava è stato realizzato utilizzando guide d'onda InGaP fabbricate su un substrato di silicio. Il vantaggio del basso consumo energetico e dell'area ridotta rispetto agli studi precedenti contribuisce anche all'elevata coerenza dello spettro generato.

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È stato proposto e dimostrato un sistema risonante accoppiato basato su microring e reticolo di Bragg che presenta proprietà di trasmissione di tipo EIT. L'accoppiamento tra un "risonatore microring" e un "risonatore Fabry-Perot composto da una griglia di Bragg a due sezioni" induce uno spettro di tipo EIT. Il sistema presenta una configurazione semplice di un risonatore microring e di una guida d'onda bus, che presenta notevoli vantaggi per quanto riguarda gli errori di fabbricazione. I risultati mostrano un tasso di estinzione (ER) di 12 dB, una FWHM di 0,077 e un valore Q di 20200, in buon accordo con la simulazione.

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La conversione e il controllo delle frequenze ottiche è una tecnologia molto importante per molte applicazioni. In questo studio si dimostra che la conversione di frequenza attraverso le oscillazioni di Bloch è possibile utilizzando risonatori ad anello modulati dinamicamente. Si dimostra inoltre che la conversione di frequenza in una singola direzione è possibile applicando una modulazione periodica. Questi risultati dimostrano la possibilità di manipolare la frequenza ottica utilizzando sistemi di risonatori dinamici.

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La tecnologia di controllo della frequenza a singolo fotone è indispensabile per le comunicazioni quantistiche, ma i metodi convenzionali basati su effetti ottici non lineari presentano problemi di rumore e larghezza di banda, rendendo difficile l'applicazione pratica. In questo lavoro, è stato fabbricato un variatore di frequenza a fotone singolo basato sull'optomeccanica ed è stato dimostrato che è possibile ottenere una modulazione fino a 150 GHz con un'efficienza di conversione prossima all'unità senza aggiungere rumore.

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Il teletrasporto quantistico permette di trasferire fedelmente gli stati quantistici tra nodi remoti di una rete, consentendo applicazioni innovative di elaborazione delle informazioni. Ciò ha motivato una vasta attività di ricerca. Tuttavia, finora non sono stati realizzati esperimenti di teletrasporto quantistico che utilizzassero simultaneamente sorgenti di luce quantistica indipendenti, consegna dell'entanglement prima della misurazione dello stato della campana (BSM) e operazioni di feed-forward, nemmeno in un ambiente di laboratorio. In questo articolo affrontiamo questa sfida e raccontiamo la costruzione di una rete quantistica in fibra ottica di 30 km distribuita su un'area di 12,5 km. La rete è robusta contro il rumore del mondo reale grazie a metodi di stabilizzazione attiva, che rendono fattibile il teletrasporto quantistico, soddisfacendo tutti i fattori contemporaneamente. Sia le misure di tomografia degli stati e dei processi quantistici che i test di ipotesi statistica indipendenti confermano la natura quantistica del teletrasporto quantistico su questa rete. Questo esperimento è un passo importante verso la realizzazione di una "internet quantistica" globale nel mondo reale.

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La modalità whispering gallery è difficile da applicare come sorgente luminosa direzionale a causa della sua simmetria rotazionale. Per rompere la simmetria rotazionale, sono stati proposti metodi come la deformazione della forma del risonatore, ma questi metodi hanno lo svantaggio di ridurre notevolmente il valore Q del risonatore. Il presente lavoro presenta un metodo per realizzare l'emissione di luce direzionale mantenendo il valore Q, regolando liberamente le caratteristiche del modo della galleria dei sussurri utilizzando l'ottica di conversione.

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Poiché i laser ad anello hanno modalità oraria (CW) e antioraria (CCW), esiste il problema che sulla guida d'onda in silicio vengono emessi fasci laser con intensità instabile in entrambe le direzioni. In questo lavoro si dimostra, mediante calcoli, che il rapporto tra CW e CCW può essere manipolato impiegando una struttura localmente deformata del laser ad anello e, mediante esperimenti condotti utilizzando il laser ad anello effettivamente fabbricato, si dimostra che è possibile ottenere un fascio laser con intensità stabile da una sola direzione della guida d'onda in silicio.

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Negli ultimi anni, la fluidodinamica ottica è diventata una tecnica importante nella bioanalisi. In particolare, i laser basati sull'idrodinamica ottica sono considerati superiori a quelli basati sulla fluorescenza in termini di sensibilità e risoluzione di imaging, ma si tratta di un'area in cui la ricerca non ha fatto molti progressi. In questo studio sono stati utilizzati coloranti nel vicino infrarosso chiamati verde indocianina per l'imaging dei principali componenti del sangue umano. Inoltre, per la prima volta, il verde indocianina è stato utilizzato per l'infiammazione del sangue umano.

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L'attuale processo di produzione delle lenti limita le prestazioni ottiche a causa delle dimensioni e della forma limitate delle lenti. Per ottenere prestazioni ottiche elevate e la correzione delle aberrazioni, sono necessari elementi multilente di forma asferica Timo Gissibl e collaboratori hanno stampato in 3D un sistema multilente con dimensioni di circa 0,1 mm utilizzando un sistema di scrittura diretta con laser a femtosecondi. Il sistema multi-lente è costituito da diverse lenti singole combinate in una struttura composita in un supporto simile a un contenitore, che viene stampato a una velocità di diversi centimetri al secondo.

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Non solo gli orologi ottici sono un potente strumento per importanti ricerche di base, ma si ritiene che possano essere utilizzati per ridefinire l'unità SI "secondo", poiché la loro precisione e stabilità sono di un ordine di grandezza superiore a quelle degli orologi atomici al cesio. Tuttavia, un importante ostacolo a questa transizione è l'inaffidabilità degli orologi ottici, che rende impraticabile la realizzazione continua di scale di tempo. Nel presente lavoro mostriamo come questa situazione possa essere risolta e dimostriamo che è possibile stabilire una scala temporale fotometrica che supera quella dell'orologio atomico a fontana al cesio.

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Un filamento laser è uno stato stabile risultante dall'equilibrio di due effetti: la convergenza dell'effetto Kerr dovuto a un laser intenso e la divergenza dovuta alla generazione di plasma. In questo studio è stata dimostrata per la prima volta la filamentazione laser alla frequenza di ripetizione di kHz nella banda del medio infrarosso.
Inoltre, i filamenti nella banda del medio infrarosso sono ritenuti utili per rilevare varie sostanze chimiche e la spettroscopia di assorbimento della CO2 atmosferica è stata confermata.

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Per la prima volta sono stati fabbricati rivelatori di raggi X basati su cristalli singoli di perovskite di metilammonio piombo bromuro (MAPbBr3). La dose minima di raggi X rilevabile è stata di 0,5 µGy aria s-1, quattro volte più sensibile del rivelatore di raggi X α-Se, noto come rivelatore di raggi X molto sensibile. Si prevede che questi risultati saranno utili nelle ispezioni mediche e di sicurezza. Nel corso della presentazione verrà illustrata la fabbricazione del rivelatore.

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La trasformata di Fourier in tempo reale dei segnali (RTFT) è un concetto fondamentale che consente un'analisi di Fourier più veloce dei limiti dei motori di elaborazione dei segnali digitali convenzionali. In ottica, la RTFT viene solitamente utilizzata per eccitare grandi quantità di dispersione della velocità di gruppo, dove è importante mappare lo spettro di frequenza del segnale nel dominio del tempo. Tuttavia, la risoluzione della frequenza ottica di questa tecnica è solitamente limitata al gigahertz o meglio, ostacolando applicazioni come la spettroscopia in tempo reale, il rilevamento, l'imaging e il rilevamento ultraveloce e soprattutto la generazione e l'elaborazione di segnali RF assistiti otticamente. Abbiamo implementato sperimentalmente il nuovo concetto di RTFT utilizzando un laser a retroazione con spostamento di frequenza e abbiamo ottenuto una risoluzione di frequenza di circa 30 kHz e un prodotto di larghezza di banda temporale superiore a 400.

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Le bolle generate dalla filamentazione in acqua con laser a femtosecondi hanno potenziali applicazioni come la commutazione di microcanali e lo smistamento di cellule. In questo studio, il movimento delle bolle generate dalla filamentazione è stato osservato direttamente al microscopio e si è visto che le bolle si muovevano lungo il flusso d'acqua generato dalla filamentazione. L'angolo tra la direzione del movimento delle bolle e la direzione di propagazione del laser cambiava con la distanza dal filamento e il processo di convezione nell'acqua causato dalla filamentazione è stato chiarito.

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È stata sviluppata una nuova piattaforma che combina un risonatore optomeccanico che trattiene la luce a una lunghezza d'onda di 1550 nm e i fononi a una frequenza di 2,4 GHz con guide d'onda fotoniche e foniche; utilizzando onde RF e luminose per eccitare o leggere i modi meccanici, è stato dimostrato che i segnali ottici e meccanici possono essere convertiti tra i domini ottico, RF e meccanico. È stato dimostrato che i segnali coerenti possono essere convertiti tra i domini ottico, RF e meccanico utilizzando onde RF e luminose per eccitare o leggere i modi meccanici.

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Alcune delle misure più precise mai effettuate, dalla spettroscopia nel dominio del tempo degli attosecondi alle misure a pettine di frequenza, sono state rese possibili dai laser mode-locked. Tuttavia, questa estrema precisione nasconde la complessità delle dinamiche di mode-locking sottostanti. Questa complessità è particolarmente evidente nell'emergere degli stati mode-locked, che sono essenzialmente transizioni singolari non ripetitive. Sebbene molti dettagli del mode-locking siano ben compresi, la spettroscopia convenzionale non è in grado di risolvere le dinamiche iniziali del mode-locking passivo sulla scala temporale naturale dei nanosecondi di un singolo periodo di impulso. Nel presente lavoro abbiamo catturato l'evoluzione spettrale risolta a impulsi di treni di impulsi di femtosecondi dalle fluttuazioni iniziali, registrate in modo continuo su circa 900 000 periodi. Osserviamo direttamente i fenomeni critici su scale temporali da decine a migliaia di viaggi di andata e ritorno, tra cui l'emergere di spettri a banda larga, gli spostamenti di lunghezza d'onda che li accompagnano e le dinamiche transitorie di interferenza rappresentate dal mode-locking di impulsi ausiliari. I risultati attuali, resi possibili dalle trasformazioni di time-stretching, possono avere implicazioni per la progettazione di laser, la diagnostica ultraveloce e l'ottica non lineare.

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È stato studiato il caos creato dall'accoppiamento non lineare dell'optomeccanica. L'indagine ha rivelato due punti principali: primo, che gli stati caotici sono trasferiti da percorsi meccanici e secondo, che la presenza di stati caotici può migliorare il rapporto segnale/rumore. Nel corso della giornata verrà spiegato in dettaglio il fatto che quelli utilizzati in questo studio rientrano nella categoria della risonanza stocastica.

Vi informeremo regolarmente sugli eventi.
Chiunque può iscriversi.

Che cos'è il Journal Club?
Si tratta di una serie di conferenze aperte che si tengono nel Tanabe Photonic Structures Laboratory. Gli studenti, a partire dal livello post-laurea, esaminano documenti relativi all'ottica e alle tecnologie correlate, come la fotonica, i materiali, le bioscienze, ecc. e li spiegano in modo semplice e comprensibile.

Informazioni sull'auditing
Le conferenze sono gratuite, indipendentemente dal fatto che ci si trovi all'interno o all'esterno del campus. Le conferenze si terranno regolarmente, quindi se siete interessati a qualche argomento, venite e partecipate. Non è necessario un preavviso per partecipare, ma se ci contattate in anticipo, prepareremo il materiale per voi.

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