Verbesserung und Manipulation der Erzeugung der zweiten und dritten Harmonischen auf Basis rein dielektrischer nichtlinearer Metaoberflächen

Nichtlineare Optik ist ein Zweig der Optik, der sich mit den komplexen nichtlinearen Beziehungen zwischen der optischen Reaktion des Mediums und dem einfallenden Licht bei der Wechselwirkung mit dem optischen Medium befasst. Derzeit wird die nichtlineare Optik erfolgreich in zahlreichen Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Lasermodulation, der optischen Signalverarbeitung und der medizinischen Bildgebung.

In den letzten Jahren sind Metaoberflächen aufgrund von Überlegungen zu Phasenanpassungsbedingungen bei Frequenzumwandlungsprozessen und Fortschritten bei Nanofabrikationstechniken zu einer zunehmend wichtigen Plattform für die Erforschung und Implementierung neuartiger nichtlinearer optischer Funktionalitäten geworden.

Im Allgemeinen sind optische Metaoberflächen ultradünne künstliche Oberflächen mit periodischer Anordnung im Sub-Wellenlängenbereich grundlegender optischer Elemente.

Durch die präzise Gestaltung der periodischen Einheitszelle sind Metaoberflächen in der Lage, die Intensität, Polarisation und Phase optischer Wellen auf beispiellose Weise zu manipulieren.

Auch in der nichtlinearen Optik spielen Metaoberflächen eine bedeutende Rolle, da sich mit ihnen die Intensität der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie gut steuern lässt, die Phase und Polarisation nichtlinearer optischer Signale vielseitig modulieren lässt, ein hohes Maß an Designflexibilität hinsichtlich Geometrie und Materialzusammensetzung besteht und sie sich nahtlos in kompakte optische Geräte integrieren lassen.

Kürzlich haben Forscher gezeigt, dass optisch resonante, vollständig dielektrische Metaoberflächen auf der Basis von geführten Modusresonanzen es ermöglichen, Resonanzeffekte mit großem Qualitätsfaktor (Q) zu erzielen und wirksame optische Elemente in Anwendungen wie der Sensorik und der Oberschwingungserzeugung zu ermöglichen.

Anders als bei geführten Moden photonischer Kristallplattenwellenleiter können sich die Resonanzen geführter Moden jedoch an das Strahlungskontinuum koppeln, so dass optische Energie im freien Raum verloren geht. Darüber hinaus bietet ein kürzlich entdeckter physikalischer Mechanismus, nämlich gebundene Zustände im Kontinuum, eine neue Möglichkeit, eine starke Kopplung zwischen Licht und Materie zu erreichen.

Im Allgemeinen besitzen gebundene Zustände im Kontinuum einen unendlich großen Strahlungs-Q-Faktor. Aufgrund von Oberflächenrauheit, Materialverlusten, Fertigungsfehlern und anderen Störungen manifestieren sich gebundene Zustände im Kontinuum in praktischen Geräten als Resonanzen mit hohem Q-Faktor und endlichem Q-Faktor.

Wichtig ist, dass die Abhängigkeit des Q-Faktors von BICs von der geometrischen Asymmetrie der Metaatome Flexibilität bei der Gestaltung von Metaoberflächen ermöglicht, die Resonanzen mit hohem Q-Faktor unterstützen, und eine wirksame Kontrolle der Stärke der Licht-Materie-Wechselwirkung innerhalb eines weiten Spektralbereichs ermöglicht.

Angeregt durch diese Ideen wurden BICs nicht nur in Anwendungen der linearen Optik, einschließlich der Erzeugung von Wirbelstrahlen und lichtleitenden photonischen Geräten, intensiv untersucht, sondern auch in Bezug auf eine Fülle nichtlinearer optischer Effekte, wie etwa der Erzeugung von Riesenharmonischen und Selbstaktionseffekten.

Metaoberflächen stellen eine vielversprechende Plattform für die Untersuchung nichtlinearer Optik dar. Die meisten vorgeschlagenen nichtlinearen Metaoberflächen konzentrieren sich jedoch nur auf einen einzigen Frequenzumwandlungsprozess und verfügen nicht über eine effiziente Möglichkeit zur Steuerung und Anpassung der Intensität der nichtlinearen optischen Wechselwirkungen.

Andererseits ist auch der physikalische Mechanismus zur Erzielung einer lokalen Feldverstärkung ein Schlüsselfaktor für die effektive Frequenzumwandlung.

Forschungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass eine verbesserte Harmonischenerzeugung durch Resonanzen mit hohem Q-Faktor ermöglicht wird, die über gebundene Zustände im Kontinuum realisiert werden können. Allerdings gibt es nur wenige Studien, die geführte Modusresonanzen und gebundene Zustände im Kontinuum im selben optischen Gerät untersucht und detaillierte Analysen verschiedener optischer Prozesse in linearen und nichtlinearen Bereichen durchgeführt haben.

In einem Artikel veröffentlicht in Optoelektronische Fortschritteberichten die Autoren über eine vollständig dielektrische nichtlineare Metaoberfläche zur enormen Verstärkung der nichtlinearen optischen Reaktion zweiter und dritter Ordnung, die durch geführte Modusresonanz und gebundene Zustände im Kontinuum hervorgerufen wird.

Insbesondere nutzten die Autoren die reichhaltige Physik optischer Resonanzen im geführten Modus und gebundener Zustände im Kontinuum, um resonante Spektralmerkmale mit hohem Q zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden durch Aufbrechen der Struktursymmetrie einer Metaoberfläche aus zentrosymmetrischem amorphem Silizium gebundene Zustände im Kontinuum in quasi gebundene Zustände im Kontinuum umgewandelt, wodurch die Kopplung zwischen diesen Resonanzzuständen und dem Strahlungskontinuum ermöglicht wird.

Unter diesen Bedingungen führt die durch das Vorhandensein von Resonanzen bei der Grundfrequenz verursachte Wechselwirkung zwischen Licht und Materie mit hoher Intensität zu einer verstärkten nichtlinearen optischen Polarisation bei der zweiten und dritten Harmonischen, was wiederum verstärkte optische Strahlen der zweiten und dritten Harmonischen erzeugt, die von den Resonatoren aus amorphem Silizium emittiert werden.

Die vorgeschlagene nichtlineare Metaoberfläche wird mithilfe theoretischer Techniken, numerischer Simulationen und experimenteller Messungen umfassend untersucht. Bei den numerischen Berechnungen werden bei der quantitativen Analyse der Erzeugung der zweiten Harmonischen sowohl Oberflächen- als auch Volumeneffekte berücksichtigt, während angenommen wird, dass die nichtlinearen optischen Strahlen im Volumen der Siliziumelemente erzeugt werden.

Als nächstes wurden optische Resonanzen mit hohen Q-Faktoren beobachtet, die aus geführten Modusresonanzen und gebundenen Zuständen im Kontinuum bei der Grundfrequenz resultieren. Dabei wurde eine Verstärkung der Erzeugung der zweiten Harmonischen um das etwa 550-fache und eine Verstärkung der Intensität der dritten Harmonischen um fast das 5.000-fache gemessen.

Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen der numerischen Analyse und den experimentellen Messungen beobachtet.

Um tiefere Einblicke in die Physik der untersuchten nichtlinearen optischen Prozesse zu erhalten, wurde die Beziehung zwischen dem bei höheren Harmonischen emittierten Licht und der strukturellen Asymmetrie der Metaoberfläche weiter numerisch untersucht. Diese Untersuchungen ergaben, dass die erzeugten harmonischen Signale, die aus linearen Resonanzen entstehen, stark von der Asymmetrie der Metaatome abhängen.

In dieser Arbeit wird eine effektive Methode zur Verbesserung und Kontrolle der Erzeugung von Harmonischen unterschiedlicher Ordnung in rein dielektrischen Metaoberflächen vorgeschlagen, die potenziell Auswirkungen auf eine Reihe von Disziplinen haben kann, darunter nichtlineare Optik, Photonik, Quantenoptik, optische Bildgebung und Sensorik.