光学anapole模式增强纳米结构铌酸锂的二次谐波产生研究

撰文| 黎洋

在现代光学研究中，具有较大非线性光学系数的铌酸锂材料可以用来产生二次谐波 (SHG)。随着亚波长尺度下的光场探测以及纳米制造技术的发展，无需满足相位匹配条件的非线性纳米结构得到了广泛地研究，然而要获得更高效的非线性光学器件，仍需通过光与物质的强相互作用来进一步提高非线性光学性能。近日，暨南大学理工学院微纳光电信息与技术团队的卢惠辉 (通信作者)课题组，在国际光学权威期刊Nanophotonics发表以题为“Optical anapole mode in nanostructured lithium niobate for enhancing second  harmonic generation ”(光学anapole模式增强纳米结构铌酸锂的二次谐波产生)的研究成果。

鉴于超材料灵活的光场调控优势，在文章中，理论上提出了一种以双曲超材料为基底的铌酸锂纳米结构（如图1a所示），其中二氧化硅间隔层用于辅助增强光与物质的相互作用。为有效提高非线性光学响应，优化了铌酸锂纳米圆盘的结构（如图1b所示）。图1c则表明双曲超材料的可调谐色散可以调控光场局域，即光学Anapole非辐射模态。

图1：a. 铌酸锂纳米结构示意图；b. 铌酸锂结构的二值优化，最优尺寸参数为直径432 nm，高度104 nm；c. 归一化电场强度分布随着双曲超材料金属填充率的变化而变化。

通过优化纳米结构的设计并借助Anapole模式的近场光场局域性与远场无辐射光学特性使得光更有效地集中在铌酸锂结构中，以获得电场局域效应的显著增强（如图2a和b所示）。图2c为通过对该纳米结构的光散射进行多极分解，验证了双曲超材料与铌酸锂形成的高折射率对比度和低损耗特性有效激发了Anapole模式, 该模态主要由电偶极子（ED）和环形偶极子（TD）之间相互作用产生。

图2：a. 纳米结构的散射光谱与平均电场强度增强光谱，共振波长为565.4 nm；b. 纳米结构在565.4 nm波长下的归一化电场强度分布；c. 纳米结构光散射的多极分解。

图3表示纳米结构铌酸锂利用anapole 模式获得了SHG信号的增强，SHG转换效率可高达10^-4。而且从图3c 和d中可知，SHG转换效率的提高主要源于局域光场的Anapole模式。此外，文章也比较了纳米结构铌酸锂在二氧化硅衬底、金属银衬底情况下的光场局域增强特性与二次谐波产生的效率。通过比较，发现纳米结构铌酸锂与双曲超材料衬底结合的灵活调控性和优势。

图3：a. 铌酸锂纳米结构的归一化SHG远场功率光谱；b. 纳米结构不同基底所获得的SHG信号比较，其中红色曲线表示纳米结构中的双曲超材料对SHG信号的影响。 c和d. 分别在泵浦光（565.4 nm）和SHG（282.7 nm）波长处纳米结构的归一化电场强度分布。

结合双曲超材料的色散可调特性激发光学Anapole模态还可以实现非线性光学的波长调控，这种有效增强光与物质相互作用的机制具有灵活的可调控性与普适性，在显微成像、数据存储、非线性光集成等纳米尺度的集成光子学中具有广泛的潜在应用。暨南大学理工学院研究生黎洋等同学和老师参与了相关研究工作，该研究得到国家自然科学基金和广东省自然科学杰出青年基金的资助。

戳“阅读原文或二维码”查看英文文献

 文章链接

https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0222

Y. Li, et al., Optical anapole mode in nanostructured lithium niobate for enhancing second harmonic generation. Nanophotonics, 20200222 (2020).

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

亲爱的读者，请点击在看，多多支持我们呦！