纳米天线与超表面中的非线性频率转换:材料革新与制造


        非线性光学(NLO)描述的是光在非线性介质中的行为,其响应随入射光强度呈现出非线性特征。比如,当光输入强度加倍时,所得的输出强度并不是简单地加倍。材料的非线性光学响应在低功率光源激发时通常很弱,但是在高功率下,材料的性能会发生明显变化。因此,非线性效应通常通过高强度的激光来获得。现有的非线性光学相互作用一般是基于晶体中的光强累积。

        目前,从深红外到极紫外的大范围波段中均已观察到NLO现象。NLO已对现代科学产生了巨大的影响,至少有9个诺贝尔物理或化学奖与之相关。其在激光-材料相互作用、信息技术、传感、通信、数据处理等方面有着广泛的应用。

        澳大利亚国立大学、巴黎第七大学等机构的研究团队综述了利用纳米结构获取有效非线性信号的最新进展。在过去十年中,他们在开发非线性纳米天线方面做出了重要的贡献。这些纳米天线会与入射光产生强相互作用,从而改变电磁场的频率,以及辐射和极化模式。

        这些研究团队已经证明了许多人工诱导超薄纳米结构(包括金属、介质和半导体纳米天线)的非线性响应的方法。然而,经过十多年的深入研究,金属纳米结构由于其内在的欧姆损耗较大而几乎被放弃。

        另一方面,用硅和锗制备的高折射率纳米天线由于材料损耗小,且具有Mie共振特性,已经证明能够克服这一缺点。 但是硅的中心对称结构和二次非线性的缺失,又引发了其他半导体纳米结构特别是III-V族半导体结构的研究。
 


III-V族半导体纳米天线的非线性效应


        开发光学损耗小、非线性强、对大功率激光产生的热具有抗性的新材料,一直是非线性光学的发展方向。此外,在基于各种材料纳米天线的非线性变频的研究中,高精度纳米制造技术一直是需要解决的主要难题。本文综述了非线性变频纳米结构材料的发展及其制备方法,并从非线性特性和纳米制造两方面详细阐述了每种材料的优缺点。
        本综述由澳大利亚国立大学、巴黎第七大学、美国桑迪亚国家实验室、英国伦敦国王学院、英国帝国理工学院、德国慕尼黑大学、意大利科学院光学研究所、德国耶拿大学、澳大利亚新南威尔士大学的相关团队共同撰写。


相关论文
Rahmani M, Leo G, Brener I, Zayats A, Maier S et al. Nonlinear frequency conversion in optical nanoantennas and metasurfaces: materials evolution and fabrication. Opto-Electronic Advances 1, 180021 (2018).
DOI: 10.29026/oea.2018.180021