Forstærker anden harmonisk generation med TMD's monolag

To fotoner kan slås sammen for at generere en foton med fordoblet frekvens i ikke-lineære optiske materialer. Denne proces er kendt som anden harmonisk generation (SHG), som først blev opdaget i 1960'erne, umiddelbart efter laserens opfindelse. Siden da har udviklingen af ​​SHG ført til mange anvendelser inden for avancerede teknologier, såsom on-chip lyskilder, billeddannelse, sensing og kommunikation. For eksempel er SHG-baserede billedbehandlingsenheder, som fanger det nær-infrarøde (NIR) lys og udsender lys i det synlige område, kernen i udviklingen af ​​nye helt optiske NIR-billeddannelsesteknologier, såsom nattesyn.

Mens mange applikationer i ikke-lineær optik er blevet demonstreret via traditionelle bulkmaterialer, tilbyder de nyligt fremkomne 2D-materialer hidtil usete muligheder inden for det ikke-lineære optikfelt. For eksempel, når krystallerne af overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er) fortyndes til at være monolag, udviser de direkte båndgab, stærk luminescens, stuetemperaturstabile excitoner og stærk andenordens ikke-linearitet. Disse unikke optiske egenskaber gør monolag af TMD'er til en attraktiv platform til at udforske nye lineære og ikke-lineære optiske effekter og deres relaterede applikationer. På grund af den atomare-skala interaktionslængde med lys udsender et enkelt TMDs monolag imidlertid et ekstremt lavt SHG-signal, hvilket væsentligt hindrer udviklingen af ​​praktiske ikke-lineære metadevices baseret på 2D-materialer.

I de senere år er dielektriske nanoresonatorer med højt brydningsindeks blevet en lovende platform til at forbedre SHG. Desuden er det blevet vist, at den lave SHG-effektivitet fra 2D-materialer kan adresseres ved at forstørre styrken af ​​lysfeltet i sådanne dielektriske resonatorer. De udviser ubetydelige optiske tab ved synlige og NIR-bølgelængder sammenlignet med deres plasmoniske modstykker. Blandt forskellige egenskaber ved dielektriske nanoresonatorer er deres evne til at udvise stærk indeslutning af lysfelt, såkaldt bundet tilstand i kontinuum (BIC), blevet introduceret som en unik egenskab i dielektriske nanoresonatorer. BIC's egenfrekvens, der ligger i kontinuumspektret, er dukket op som en lovende tilgang til at forbedre SHG i 2D-materialer.

For nylig har et internationalt hold, der involverer University of Electronic Science and Technology i Kina og Nottingham Trent University, foreslået en dobbelt BIC-ordning med de fundamentale og den anden harmoniske bølger i resonans samtidigt for at øge konverteringseffektiviteten af ​​SHG fra TMDs monolag. Som vist i fig. 1 er parret af BIC'er hulrumstilstande i en omhyggeligt designet GaP-gitterplade. Ved at overføre TMD's monolag til BIC's pladen kan SHG-signalet fra TMD's monolag stort set forstærkes på grund af dual-BIC's resonansproces. Med andre ord kan det grundlæggende lyss elektriske felt forstærkes væsentligt ved at excitere den første BIC, og i mellemtiden vil excitationen af ​​den anden BIC ved harmonisk bølgelængde øge den ikke-lineære emission yderligere.

Hovedudfordringen i denne undersøgelse var den rumlige tilstandsmatchning inden for TMD-monolaget mellem den BIC-resonante fundamentale og anden harmoniske bølge. Forskerne har vist, at en let hældning af indfaldsvinklen for den fundamentale bølge i høj grad kan forbedre den rumlige tilstands-tilpasning inden for TMD's monolag, hvilket giver anledning til fire størrelsesordensforøgelse af SHG-effektiviteten sammenlignet med det med et enkelt TMD's monolag [se Fig. 2(a)-(b)]. Desuden har forskerne ved at udforske 2D-naturen af ​​TMD's monolag demonstreret, at mønstre af TMD's monolag kan optimere rumlig tilstandsmatchning. Dette vil yderligere booste SHG-processen af ​​TMDs monolag og forstærke SHG-signalet op til syv størrelsesordener, som vist i fig. 2(c)-(d).

Disse resultater, offentliggjort i Opto-Electronic Advances , tilbyder nye muligheder for at forbedre SHG i praktiske applikationer med TMDs monolag, og demonstrerer nye muligheder for ikke-lineær optik med atomart tynde 2D-materialer, herunder ny type lyskilder, helt optisk nattesynsteknologi baseret på frekvenskonvertering. + Udforsk yderligere

En strategi til direkte at modulere andenordens optiske modtagelighed af monolag molybdænditellurid