Amélioration et manipulation de la génération de deuxième et troisième harmoniques basées sur des métasurfaces non linéaires entièrement diélectriques

L’optique non linéaire est une branche de l’optique qui traite des relations non linéaires complexes entre la réponse optique du milieu et la lumière incidente lorsqu’elle interagit avec le milieu optique. Actuellement, l’optique non linéaire a été appliquée avec succès à divers domaines, tels que la modulation laser, le traitement du signal optique et l’imagerie médicale.

Ces dernières années, en raison de considérations telles que les conditions d’adaptation de phase dans les processus de conversion de fréquence et les progrès des techniques de nanofabrication, les métasurfaces sont devenues une plate-forme de plus en plus importante pour la recherche et la mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités optiques non linéaires.

D’une manière générale, les métasurfaces optiques sont des surfaces artificielles ultra-minces avec une disposition périodique à une échelle inférieure à la longueur d’onde des éléments optiques de base.

En concevant avec précision la cellule unitaire périodique, les métasurfaces sont capables de manipuler l’intensité, la polarisation et la phase des ondes optiques de manière sans précédent.

En optique non linéaire, les métasurfaces jouent également un rôle important en raison du contrôle puissant de l’intensité de l’interaction lumière-matière, de la modulation polyvalente de la phase et de la polarisation des signaux optiques non linéaires, du degré élevé de flexibilité de conception en termes de géométrie et de composition des matériaux, et un potentiel d’intégration transparente dans des dispositifs optiques compacts.

Récemment, des chercheurs ont montré que les métasurfaces entièrement diélectriques optiquement résonantes basées sur des résonances en mode guidé permettent d’obtenir des effets de résonance à facteur de qualité (Q) important et permettent des éléments optiques efficaces dans des applications telles que la détection et la génération d’harmoniques.

Cependant, contrairement au cas des modes guidés des guides d’ondes à dalles de cristaux photoniques, les résonances des modes guidés peuvent se coupler au continuum de rayonnement, de sorte que l’énergie optique est perdue dans l’espace libre. De plus, un mécanisme physique récemment révélé, à savoir les états liés dans le continuum, offre une nouvelle façon d’obtenir un couplage fort entre la lumière et la matière.

Généralement, les états liés dans le continuum possèdent un facteur Q radiatif infiniment grand. En raison de la rugosité de la surface, des pertes de matériaux, des imperfections de fabrication et d’autres perturbations, les états liés dans le continuum dans les dispositifs pratiques se manifestent par des résonances à Q élevé avec des facteurs Q finis.

Il est important de noter que la dépendance du facteur Q des BIC sur l’asymétrie géométrique des métaatomes permet une flexibilité dans la conception de métasurfaces prenant en charge des résonances à Q élevé et un contrôle efficace de la force de l’interaction lumière-matière dans une large gamme spectrale.

Encouragés par ces idées, les BIC ont été étudiés de manière intensive non seulement dans les applications d’optique linéaire, notamment la génération de faisceaux vortex et les dispositifs photoniques de guidage de la lumière, mais également en relation avec une pléthore d’effets optiques non linéaires, tels que la génération d’harmoniques géantes et les effets d’auto-action.

Les métasurfaces constituent une plateforme prometteuse pour l’étude de l’optique non linéaire. Cependant, la plupart des métasurfaces non linéaires proposées se concentrent uniquement sur un seul processus de conversion de fréquence et ne disposent pas d’un moyen efficace pour contrôler et ajuster l’intensité des interactions optiques non linéaires.

D’un autre côté, le mécanisme physique permettant d’obtenir une amélioration du champ local est également un facteur clé pour parvenir à une conversion de fréquence efficace.

Les recherches de ces dernières années ont montré que la génération améliorée d’harmoniques est facilitée par des résonances à Q élevé, qui peuvent être réalisées via des états liés dans le continuum, mais peu d’études ont étudié les résonances en mode guidé et les états liés dans le continuum dans le même dispositif optique et ont fourni analyse approfondie de différents processus optiques dans des régimes linéaires et non linéaires.

Dans un article publié dans Avancées opto-électroniquesles auteurs rapportent sur une métasurface non linéaire entièrement diélectrique pour une amélioration géante de la réponse optique non linéaire du deuxième et du troisième ordre, induite par la résonance en mode guidé et les états liés dans le continuum.

En particulier, les auteurs ont tiré parti de la riche physique des résonances optiques guidées et des états liés dans le continuum pour générer des caractéristiques spectrales de résonance à Q élevé. Pour cela, en brisant la symétrie structurale d’une métasurface composée de silicium amorphe centrosymétrique, les états liés dans le continuum se transforment en états quasi liés dans le continuum, permettant ainsi le couplage entre ces états résonants et le continuum radiatif.

Dans ces conditions, l’interaction lumière-matière de haute intensité provoquée par l’existence de résonances à la fréquence fondamentale donne lieu à une polarisation optique non linéaire améliorée aux deuxième et troisième harmoniques, qui produit des faisceaux optiques améliorés de deuxième et troisième harmoniques émis par les résonateurs en silicium amorphe.

La métasurface non linéaire proposée est étudiée de manière approfondie à l’aide de techniques théoriques, de simulations numériques et de mesures expérimentales. Dans les calculs numériques, l’analyse quantitative de la génération de deuxième harmonique prend en compte à la fois les effets de surface et de volume, alors que les faisceaux optiques non linéaires sont supposés être générés dans la masse des éléments en silicium.

Ensuite, des résonances optiques avec des facteurs Q élevés résultant de résonances en mode guidé et d’états liés dans le continuum à la fréquence fondamentale ont été observées et mesurées, une amélioration de la génération de la deuxième harmonique d’environ 550 fois à la deuxième harmonique et une amélioration de la troisième harmonique. intensité de près de 5 000 fois.

Un bon accord entre les prédictions de l’analyse numérique et les mesures expérimentales a été observé.

Pour mieux comprendre la physique des processus optiques non linéaires étudiés, la relation entre la lumière émise à des harmoniques supérieures et l’asymétrie structurelle de la métasurface a été étudiée numériquement. Ces investigations ont révélé que les signaux harmoniques générés par les résonances linéaires dépendent fortement de l’asymétrie des métaatomes.

Ce travail propose une méthode efficace pour améliorer et contrôler la génération de différents ordres d’harmoniques dans les métasurfaces entièrement diélectriques, ce qui peut potentiellement avoir un impact sur une série de disciplines, notamment l’optique non linéaire, la photonique, l’optique quantique, l’imagerie optique et la détection.