上海光機所在基于強太赫茲與超表面的硅基非線性光學研究上取得進展

近日，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室在硅基非線性光學研究方面取得了進展。研究團隊提出了一種復(fù)合超表面與強太赫茲（THz）場結(jié)合的新方法，以打破硅的中心對稱性并增強二次諧波的產(chǎn)生（SHG, second harmonic generation）和三次諧波的產(chǎn)生（THG, third harmonic generation）。相關(guān)成果以“Second harmonic generation and third harmonic enhancement in silicon by composite metasurface and intense terahertz”為題發(fā)表在Optics Express上。

硅的光學非線性特性對硅光子學的發(fā)展至關(guān)重要，而中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)使得硅缺乏二階非線性效應(yīng)。這一缺陷能夠通過施加應(yīng)變、瞬態(tài)強電場等方式克服。其中，團隊前期在物態(tài)調(diào)控方面的研究表明，基于強場太赫茲的調(diào)控方式具有超快、無損的優(yōu)點。然而，太赫茲高場強的要求以及非線性轉(zhuǎn)換效率的低下限制了該方法的實際應(yīng)用。

針對上述問題，研究團隊設(shè)計了如圖1所示的一種復(fù)合超表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由鏤空蝶形金屬超表面和圖案化的非晶硅超表面組成。鏤空蝶形金屬超表面能夠顯著增強太赫茲場，非晶硅的結(jié)構(gòu)參數(shù)則選定為能夠形成超法諾共振。當同時施加強太赫茲與基頻光時，太赫茲被進一步增強并打破了硅材料的中心對稱性，從而允許二次諧波的生成。同時，非晶硅中基頻光的強共振進一步提升了SHG和THG的轉(zhuǎn)換效率。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當入射強度為1.20 GW/cm²的基頻光和10 kV/cm的y極化太赫茲波時，SHG和THG的轉(zhuǎn)換效率分別為3.93×10^-7和7.18×10^-7。與未圖案化的硅相比，THG的轉(zhuǎn)換效率提高了約700倍。由于鏤空蝶形金屬超表面對太赫茲的場增強效應(yīng)，SHG的轉(zhuǎn)換效率提高了1.47×10⁴倍。圖2（a）為SHG（紅色實線）和THG（藍色虛線）轉(zhuǎn)換效率隨基頻光強度E0的變化曲線。圖2（b）為二次諧波功率（藍色實線）和效率（紅色虛線）隨入射太赫茲電場Ei-THz的變化曲線。該工作為構(gòu)建微型化、多功能和低功耗的非線性器件提供了新的思路。

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圖1. 復(fù)合超表面示意圖：（a）俯視圖；（b）局部放大圖；（c）側(cè)視圖。（d）復(fù)合超表面增強硅SHG和THG示意圖。

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圖2. （a）SHG（紅色實線）和THG（藍色虛線）轉(zhuǎn)換效率隨基頻光強度E0的變化曲線。（b）二次諧波功率（藍色實線）和效率（紅色虛線）隨入射太赫茲電場Ei-THz的變化曲線

相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學杰出青年基金及基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃等項目的支持。

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