基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法

【技术实现步骤摘要】
基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法


[0001]本专利技术属于非线性光学领域，具体涉及一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法
。

技术介绍

[0002]非线性频率变换使激光源的波长范围超出了标准激光增益介质
。
在之前的研究中，科学家们已经意识到频率变换能在紫外激光，可见光激光，红外激光，中红外激光至太赫兹波段发现
。
证明了增益介质的性质材料对激光器件有重大影响
。
由于固有材料的非线性比较弱，传统的方法包括增加材料长度或泵浦光强度用于提高二次谐波产生
(SHG)
的效率
。
此外，需要满足基波和谐波之间的相位匹配以提高转换效率
。
如今，随着我们进入纳米技术时代，纳米尺度正逐渐成为研究热点
。
显然，在集成系统中使用全介质面临着巨大的限制，而严格的相位匹配要求也将阻碍该器件在亚波长中的应用
。
[0003]近年来，由亚波长结构单元组成的谐振全介质超表面被广泛应用，实现了频率变换过程，包括谐波的产生和混频过程
。
超表面的单元结构可以看作是光学谐振器，能够将激发能量压缩到打破衍射极限的区域，这种场强的限制极大地促进了非线性效应
。
一般来说，增强非线性过程的谐振场增强与谐振模式的质量因子有关
。
因此，具有高
Q
的谐振模式更适合增强非线性相互作用
。
在非线性光学中使用两种典型的谐振模式分别是连续体
(BIC)
模式中的
Mie
模式和准束缚态
。
利用在砷化铝镓纳米盘或阵列中产生的磁偶极子共振模式，实现了
SHG
过程的增强
。
当泵浦激光强度达到
GW/cm2，非线性转换效率约为
10
‑5。
在这种情况下，所产生的非线性辐射仍然太低，在实际应用中无法接受
。
与
Mie
共振相比，
BIC
可以提供具有无限
Q
因子的辐射谱
。
在准
BIC
条件下，这些理想状态特征都可以在
BIC
共振点附近观察到
。
通过控制自由空间耦合，准连续体束缚态共振可以实现任意高
Q
因子和场增强，进一步增强光物质相互作用，从而产生较高的非线性转换效率
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服非线性光学中的二次谐波转换效率低，以及要考虑相位匹配问题，为了提高
SHG
的转换效率，本专利技术提供一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法
。
[0005]本专利技术具体采用的技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，所述器件以平行布置的第一栅条
、
第二栅条和两者中间的空气间隙组成基本的结构单元，由若干结构单元周期性排列形成的一维光栅，所述第一栅条和第二栅条均采用非线性材料；所有结构单元的顶面组成一维光栅的超表面，且每个结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状或参数进而打破对称性，获得不同的透射曲线，从而使一维光栅超表面产生二次谐波
。
[0007]作为上述第一方面的优选，所述一维光栅超表面的尺寸应小于目标基频非线性光
学波长，采用亚波长尺寸
。
[0008]作为上述第一方面的优选，所述非线性材料为满足超表面谐振的要求材料
。
[0009]作为上述第一方面的优选，所述非线性材料优选为砷化铝镓
、
磷化镓
、
铌酸锂
。
[0010]作为上述第一方面的优选，所述结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状进而打破对称性，其中第一栅条的顶面拐角位置开设有横截面为方形的缺口，使第一栅条的横截面为一个在长方形单侧顶角位置开设方形空缺从而形成的六边形；而第二栅条的横截面与所述长方形一致
。
[0011]进一步的，所述方形空缺的边长为
0.1
～
50nm
，所述长方形宽度为
260
～
280nm
，高度为
390
～
410nm
，所述器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度均为
145
～
165nm。
[0012]作为上述第一方面的优选，所述结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何参数进而打破对称性，其中第一栅条和第二栅条的横截面均为长方形，但两条栅条的长方形横截面高度相同而宽度不同
。
[0013]进一步的，所述第一栅条的长方形横截面的宽度为
270nm
，高度为
390
～
410nm
；第二栅条的长方形横截面的宽度为
270
～
276nm
但不等于
270nm
，高度为
390
～
410nm
；所述器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度均为
425nm
减去第二栅条的长方形横截面的宽度
。
[0014]作为上述第一方面的优选，所述器件由
n
个结构单元沿同一平面周期性平行排列而成，器件内的结构单元完全一致，
n
为大于4的正整数
。
[0015]第二方面，本专利技术提供了一种利用如上述第一方面任一方案所述器件的在非线性光学中产生二次谐波方法，所述器件的一维光栅超表面在与基频波谐振时，产生谐振电流或谐振电场，进而引起局域磁场和电场显著增强，从而对产生的二次谐波进行增强；按照目标二次谐波特性，通过调整两条栅条顶面的几何形状或参数，使器件产生的非线性光学二次谐波特性满足要求，进而用于在非线性光学中产生二次谐波
。
[0016]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0017]本专利技术基于全介质准束缚态的非线性一维光栅超表面二次谐波产生，本方法具有较高的设计自由度，能根据实际需要设计超表面结构，实现基频在非线性光学中二次谐波产生
。
研究了准连续体束缚态模式下的谐振特性，以提供
Q
因子大于
104的共振
。
与连续的砷化铝镓薄膜相比，本专利技术中两种光栅超表面的
SHG
转换效率显著提高，当泵浦光强度为
5MW/cm2时，转换效率分别达到了
0.059
和
0.166。
该专利技术可以促进超表面在非线性集成系统中的广泛应用
。
附图说明
[0018]图1为本专利技术器件的第一种光栅超表面示意图；
[0019]图2为该器件在第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其特征在于，所述器件以平行布置的第一栅条
(1)、
第二栅条
(2)
和两者中间的空气间隙组成基本的结构单元，由若干结构单元周期性排列形成的一维光栅，所述第一栅条
(1)
和第二栅条
(2)
均采用非线性材料；所有结构单元的顶面组成一维光栅的超表面，且每个结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状或参数进而打破对称性，获得不同的透射曲线，从而使一维光栅超表面产生二次谐波
。2.
如权利要求1所述的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其特征在于，所述一维光栅超表面的尺寸应小于目标基频非线性光学波长，采用亚波长尺寸
。3.
如权利要求1所述的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其特征在于，所述非线性材料为满足超表面谐振的要求材料
。4.
如权利要求1所述的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其特征在于，所述非线性材料为砷化铝镓
、
磷化镓
、
铌酸锂，优选为砷化铝镓
。5.
如权利要求1或4所述的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其特征在于，所述结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状进而打破对称性，其中第一栅条
(1)
的顶面拐角位置开设有横截面为方形的缺口
(3)
，使第一栅条
(1)
的横截面为一个在长方形单侧顶角位置开设方形空缺从而形成的六边形；而第二栅条
(2)
的横截面与所述长方形一致
。6.
如权利要求5所述的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其特征在于，所述方形空缺的边长为
0.1
～
50nm
，所述长方形宽度为
260
～
280nm
，高度为
390...

【专利技术属性】
技术研发人员：严德贤，邱宇，李向军，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：