文献学习 | Light Sci. Appl. 13, 169 (2024)

文摘   2024-10-17 09:00   广东  
这篇文章报道了一种创新的电控非线性光学超表面,它能够通过调节电场来实现对三次谐波生成(THG)的动态调控。利用多量子阱(MQWs)结构与等离子体纳米共振器的结合,创造了一个平台,在此平台上,通过改变施加的电压,可以精确控制非线性光学响应的幅度和相位。这一成果的核心在于利用量子阱中的Stark效应,即通过改变电场来调节能级,从而实现对THG过程的调制。实验中,研究者们展示了高达450%的THG信号调制深度,以及86%的零级THG衍射抑制,这些都是通过局部相位调谐实现的。此外,还展示了基于相位梯度的THG光束转向,这表明了该超表面在动态光束操控方面的巨大潜力。

文章还详细描述了超表面的设计与制造过程,包括使用分子束外延技术生长MQW结构,以及通过精细的电子束光刻和反应离子刻蚀技术来形成纳米共振器阵列。还利用有限差分时域(FDTD)模拟来预测超表面在不同偏压下的光学响应,并通过实验测量了线性和非线性光学特性,验证了模拟结果的准确性。

相关研究以“Electrically tunable third-harmonic generation using intersubband polaritonic metasurfaces”为标题发表在《Light: Science & Applications》期刊上。

图 1:电控非线性极化超表面的概念图,用于第三谐波(TH)强度调制、动态TH光束衍射调制和动态TH光束转向。这幅图说明了超表面如何通过改变局部相位来控制TH光的强度和方向。

图 2:设计的多量子阱结构的能带图,以及在不同偏压下的结构。还包括了在不同偏压下计算的局域场增强和第三阶非线性光学响应的幅度和相位。这幅图说明了如何通过改变偏压来调节非线性光学响应。

图 3:超表面单元结构的设计图,以及在不同偏压下模拟的反射光谱。还包括了在基频(FF)和第三谐波(TH)频率下,MQW层中电场增强分布的模拟结果,以及有效第三阶非线性光学响应的幅度和相位光谱。这幅图展示了超表面在不同偏压下的光学特性。

图 4:制造的超表面的扫描电子显微镜(SEM)图像,以及在不同直流偏压下测量的线性反射光谱。还包括了在不同泵浦功率和强度下测量的TH功率转换效率,以及在不同偏压下TH峰值功率光谱的测量结果。这幅图验证了超表面在实验中的线性和非线性光学特性。

图 5:通过电控相位光栅超表面实现的TH光束衍射控制的示意图,以及在不同偏压下测量的远场分布。还包括了两个提取的有效三阶非线性光学易感性复数值比的极坐标图。这幅图展示了如何通过改变偏压来动态控制TH光束的衍射。

图 6:通过电控相位梯度超表面实现的TH光束转向的示意图,以及在不同偏压下测量的远场分布。这幅图展示了如何通过改变偏压来动态控制TH光束的转向。

参考文献:

Park, S., Yu, J., Boehm, G., Belkin, M. A. & Lee, J. Electrically tunable third-harmonic generation using intersubband polaritonic metasurfaces. Light Sci Appl 13, 169 (2024).


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