Nutid og fremtid for ikke-lineære optiske metasurfaces

Et af hovedformålene med optik er kontrol af lysudbredelse og indeslutning. Fremskridt inden for optik startede historisk med udviklingen af ​​omfangsrige linser og spejle, derefter prismer og gitre og så videre. Forbedringen af ​​disse anordninger faldt, efterhånden som diffraktionsgrænsen nærmede sig. Nanofotonik sigter mod at manipulere elektromagnetiske bølger på sub-bølgelængdeskala for at gå ud over denne grænse. Den seneste udvikling af fremstillingsteknologier, numeriske værktøjer og teoretiske modeller åbnede vejen for nye enheder med hidtil uset ydeevne.

Optiske metasurfaces er arrays af optiske antenner med sub-bølgelængdestørrelse og adskillelse. De repræsenterer et originalt koncept for flad optik uden klassiske analoger. De giver mulighed for den ultimative miniaturisering af optiske komponenter, samt muliggør nye funktionaliteter, som ikke er mulige til dato. I de sidste to årtier er de optiske egenskaber af metaoverflader blevet intenst undersøgt i det lineære regime, med enten metalliske eller amorfe dielektriske nanostrukturer.

For nylig har ikke-lineær flad optik fået stigende opmærksomhed, med frekvenskonverteringseffekter observeret først i de hot spots, der er forbundet med lokaliserede plasmonresonanser i metalnanoantenner og derefter i forbindelse med multipolære resonanser af Mie-typen i dielektriske nanostrukturer. I denne overgang til nano-skalaen er fasematchningens rolle blevet erstattet af nærfeltsresonanser, der forekommer i åbne ikke-hermitiske nanostrukturer.

Inden for det nye område med ikke-lineære metasurfaces, for hvilket navnet på ikke-lineær meta-optik er blevet foreslået, har dielektriske implementeringer givet den højeste ikke-lineære generations effektivitet:for det første med tredje harmonisk generation i amorfe eller silicium-på-isolator-platforme, og derefter med den anden harmonisk generering og spontan parametrisk nedkonvertering i ikke-centrosymmetriske materialer som III-V halvledere og lithiumniobat. For nylig blev det videnskabelige samfund også interesseret i bølgefrontformningen af ​​de harmoniske felter, lige fra simple meta-gitter og meta-linser til ikke-lineær generering af komplekse meta-hologrammer og specielle stråler.

Forfatterne af denne artikel gennemgår de seneste fremskridt inden for ikke-lineær optik med dielektriske metaoverflader, med fokus på den paradigmatiske effekt af anden harmonisk generation. De diskuterer de mest anvendte teknologiske platforme, som understøttede sådanne fremskridt, og analyserer forskellige kontroltilgange. Deres papir begynder med en introduktion om emnet ikke-lineær generering i sub-bølgelængde "Mie" resonatorer, der påpeger de vigtigste værdier for en høj effektivitet i ikke-hermitiske systemer. Derefter gennemgår de de vigtigste tilgange, der er vedtaget i de seneste år for at kontrollere eller øge harmonisk generering i metasurfaces. De sammenligner endelig deres præstationer med andre veletablerede teknologier, illustrerer den nuværende state-of-the-art og finder ud af et par scenarier, hvor disse enheder snart kan byde på hidtil usete muligheder. I deres konklusion fremkommer to mulige udsigter for det hastigt fremvoksende domæne af dielektriske ikke-lineære metaoverflader.

På den ene side synes det at ty til koblede nanoantenner og kollektive resonanser den klogeste strategi til at maksimere ikke-lineær generation. Men også de metaflader, der udviser de største kvalitetsfaktorer, er størrelsesordener mindre effektive end de andre platforme. Dette resultat stammer fra den kendsgerning, at de fleste undersøgelser, der har vedtaget denne tilgang, til dato fokuserede på skabelsen af ​​en enkelt høj-Q-resonans omkring FF. I stedet må det forventes, at et sådant hul med de andre teknologier kan udfyldes med et omhyggeligt design, der giver en god balance mellem frirumskobling og tilstandskvalitetsfaktorer, samtidig med at der implementeres en dobbelt resonanstilstand og det ikke-lineære overlapningsintegral optimeres.

På den anden side repræsenterer lav-Q-antenner en sand paradigmeændring med hensyn til både guidede strukturer og fotoniske krystaller. Deres i øjeblikket lavere ikke-lineære generationseffektivitet modsvares i vid udstrækning af spændende muligheder lige fra den dynamiske afstemning af individuel
metaatomemission til pulsformning, bredbåndsparametriske enheder, ikke-lineær billeddannelse, bølgefrontformning og metaholografi. Deres hurtige udvikling er i øjeblikket understøttet af et igangværende fremskridt inden for nanofabrikation, nye lovende ikke-lineære materialer som TMDC'er og både analytiske og numeriske metoder til at modellere ikke-lineær generation i utætte hulrum. Forbedringen af ​​sådanne matematiske værktøjer ser ud til at være særlig vigtig for ikke-intuitivt design og optimering af meget multi-mode nanoresonatorer.

Baseret på de imponerende resultater af denne nye gren af ​​ikke-lineær optik, er det rimeligt at forvente, at en ny klasse af ikke-lineære fotoniske meta-enheder vil opstå i de kommende år til højhastigheds-omskiftning, sammenfiltrede fotonkilder, superkontinuumgenerering og ikke-lineær billeddannelse. + Udforsk yderligere

Boost anden harmonisk generation med TMD's monolag