Улучшение и управление генерацией второй и третьей гармоник на основе полностью диэлектрических нелинейных метаповерхностей.

Улучшение и управление генерацией второй и третьей гармоник на основе полностью диэлектрических нелинейных метаповерхностей.

Схематическая диаграмма нелинейной метаповерхности, состоящей из асимметричных метаатомов, основанной на резонансе управляемых мод и связанных состояниях в континууме. Кредит: Оптоэлектронные достижения (2024). DOI: 10.29026/oea.2024.230186

Нелинейная оптика — это раздел оптики, который изучает сложные нелинейные зависимости между оптическим откликом среды и падающим светом при его взаимодействии с оптической средой. В настоящее время нелинейная оптика успешно применяется в различных областях, таких как лазерная модуляция, обработка оптических сигналов и медицинская визуализация.


В последние годы, благодаря соображениям, включая условия фазового синхронизма в процессах преобразования частоты и достижениям в методах нанопроизводства, метаповерхности становятся все более важной платформой для исследования и реализации новых нелинейных оптических функций.

Вообще говоря, оптические метаповерхности представляют собой ультратонкие искусственные поверхности с периодическим расположением на субволновом масштабе основных оптических элементов.

Точно спроектировав периодическую элементарную ячейку, метаповерхности способны беспрецедентными способами манипулировать интенсивностью, поляризацией и фазой оптических волн.

В нелинейной оптике метаповерхности также играют значительную роль из-за мощного контроля над интенсивностью взаимодействия света с веществом, универсальной модуляции фазы и поляризации нелинейных оптических сигналов, высокой степени гибкости конструкции с точки зрения геометрии и состава материала. и потенциал для плавной интеграции в компактные оптические устройства.



Недавно исследователи показали, что оптически резонансные полностью диские метаповерхности, основанные на резонансах управляемых мод, позволяют достигать резонансных эффектов с высоким коэффициентом добротности (Q) и позволяют использовать эффективные оптические элементы в таких приложениях, как зондирование и генерация гармоник.

Однако, в отличие от случая направленных мод фотонно-кристаллических пластинчатых волноводов, резонансы направленных мод могут взаимодействовать с континуумом излучения, так что оптическая энергия теряется в свободное пространство. Более того, недавно открытый физический механизм, а именно связанные состояния в континууме, обеспечивает новый способ достижения сильной связи между светом и материей.

Обычно связанные состояния в континууме обладают бесконечно большой радиационной добротностью. Из-за шероховатости поверхности, потерь материала, несовершенства изготовления и других возмущений связанные состояния в континууме в практических устройствах проявляются как высокодобротные резонансы с конечной добротностью.

Важно отметить, что зависимость добротности БИК от геометрической асимметрии метаатомов позволяет обеспечить гибкость в проектировании метаповерхностей, поддерживающих высокодобротные резонансы и эффективный контроль силы взаимодействия света с веществом в широком спектральном диапазоне.

Вдохновленные этими идеями, BIC интенсивно изучались не только в приложениях линейной оптики, включая генерацию вихревых лучей и светопроводящие фотонные устройства, но также в отношении множества нелинейных оптических эффектов, таких как генерация гигантских гармоник и эффекты самовоздействия.

Метаповерхности представляют собой многообещающую платформу для изучения нелинейной оптики. Однако большинство предлагаемых нелинейных метаповерхностей сосредоточены только на одном процессе преобразования частоты и не имеют эффективного способа контроля и регулировки интенсивности нелинейно-оптических взаимодействий.

С другой стороны, физический механизм достижения локального усиления поля также является ключевым фактором в достижении эффективного преобразования частоты.

Исследования последних лет показали, что усиленной генерации гармоник способствуют резонансы с высокой добротностью, которые могут быть реализованы через связанные состояния в континууме, однако лишь немногие исследования исследовали резонансы управляемых мод и связанные состояния в континууме в одном и том же оптическом устройстве и предоставили углубленный анализ различных оптических процессов как в линейном, так и в нелинейном режимах.

В статье, опубликованной в Оптоэлектронные достиженияАвторы сообщают о полностью диэлектрической нелинейной метаповерхности для гигантского усиления нелинейного оптического отклика второго и третьего порядка, вызванного резонансом управляемых мод и связанными состояниями в континууме.

В частности, авторы воспользовались богатой физикой резонансов оптических управляемых мод и связанных состояний в континууме для создания высокодобротных резонансных спектральных характеристик. С этой целью, нарушая структурную симметрию метаповерхности, состоящей из центросимметричного аморфного кремния, связанные состояния в континууме преобразуются в квазисвязанные состояния в континууме, тем самым обеспечивая связь между этими резонансными состояниями и излучательным континуумом.

В этих условиях высокоинтенсивное взаимодействие света с веществом, вызванное существованием резонансов на основной частоте, приводит к усилению нелинейной оптической поляризации на второй и третьей гармониках, что приводит к усилению оптических лучей второй и третьей гармоник, излучаемых из резонаторы из аморфного кремния.

Предлагаемая нелинейная метаповерхность всесторонне изучена с использованием теоретических методов, численного моделирования и экспериментальных измерений. В численных расчетах при количественном анализе генерации второй гармоники учитываются как поверхностные, так и объемные эффекты, тогда как предполагается, что нелинейно-оптические пучки генерируются в объеме кремниевых элементов.

Затем были обнаружены оптические резонансы с высокими добротностями, возникающие в результате резонансов управляемых мод и связанных состояний в континууме на основной частоте, и измерено усиление генерации второй гармоники примерно в 550 раз на второй гармонике и усиление третьей гармоники. интенсивность почти в 5000 раз.

  • Улучшение и управление генерацией второй и третьей гармоник на основе полностью диэлектрических нелинейных метаповерхностей.

    Экспериментально измерен коэффициент нелинейного усиления второго порядка и соответствующие результаты численного расчета. Кредит: Оптоэлектронные достижения (2024). DOI: 10.29026/oea.2024.230186

  • Улучшение и управление генерацией второй и третьей гармоник на основе полностью диэлектрических нелинейных метаповерхностей.

    Экспериментально измерен коэффициент нелинейного усиления третьего порядка и соответствующие результаты численного расчета. Кредит: Оптоэлектронные достижения (2024). DOI: 10.29026/oea.2024.230186

Наблюдалось хорошее согласие между предсказаниями численного анализа и экспериментальными измерениями.

Для более глубокого понимания физики исследуемых нелинейно-оптических процессов связь между светом, излучаемым на высших гармониках, и структурной асимметрией метаповерхности была дополнительно изучена численно. Эти исследования показали, что генерируемые гармонические сигналы, возникающие в результате линейных резонансов, сильно зависят от асимметрии метаатомов.

В этой работе предлагается эффективный метод усиления и контроля генерации гармоник разных порядков в полностью диэлектрических метаповерхностях, который потенциально может повлиять на ряд дисциплин, включая нелинейную оптику, фотонику, квантовую оптику, оптическое изображение и зондирование.

Больше информации:
Цзи Тонг Ван и др., Резонансно усиленная генерация второй и третьей гармоник в диэлектрических нелинейных метаповерхностях, Оптоэлектронные достижения (2024). DOI: 10.29026/oea.2024.230186

Предоставлено компанией Compuscript Ltd.

Цитирование: Улучшение и манипулирование генерацией второй и третьей гармоник на основе полностью диэлектрических нелинейных метаповерхностей (2024 г., 14 июня), получено 15 июня 2024 г. с https://phys.org/news/2024-06-harmonic-generation-based- dielectric-nonlinear.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.