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基于新型非线性光学界面的高效率、多功能的二次谐波功能器件|华中科技大学王凯、陆培祥,新加坡国立大学仇成伟国际合作新进展

作者: Research编辑部

时间: 2020-06-01 14:04

2020年4月5日,华中科技大学王凯教授、陆培祥教授团队和新加坡国立大学仇成伟教授团队共同报道了一种基于新型非线性光学界面的高效率、多功能的二次谐波调控,实现了单层二维材料中二次谐波的光束操控、涡旋光束产生和全息成像等多种功能,其二阶非线性极化率高达~25 nm/V,相关成果以 “Structuring Nonlinear Wavefront Emitted from Monolayer Transition-Metal Dichalcogenides”发表在Research 上。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

研究背景

各种微纳结构中的二次谐波产生特性(second-harmonic generation,SHG)具有信号稳定、波长可调谐、相干性好、超快响应性和偏振敏感性等独特优点,可作为一种新型微纳相干光源,在显微成像、精密探测和非线性微纳光学器件等中有重要的应用前景。过渡金属硫化物(transition-metal dichalcogenides, TMDC)单层二维材料由于对称性破缺,具有很高的二阶非线性极化率(χ(2)~ nm/V)。但目前主要还有两个问题:从功能上讲,单层二维材料所产生的SHG信号的相位不可控,不能实现其波前调控;从非线性转换效率上讲,单层二维材料的厚度非常薄(< 1 nm),导致其与激发光相互作用的强度较弱,非线性转换效率仍有进一步提高的空间。所以如何在提高TMDC中非线性转换效率的同时,对其进行多维度调控(相位、偏振和超快动态调制等)是微纳光子学领域的研究热点之一,也是实现各种新型微纳非线性空间光调制器件(spatial light modulator, SLM)的关键问题。

研究进展

针对这个难题,华中科技大学王凯教授、陆培祥教授团队和新加坡国立大学仇成伟教授在前期合作成果[Nature Photonics, 13, 467-472 (2019)]的基础上,提出一种基于新型非线性光学界面的高效率SHG多功能器件。图1中展示了这种新型非线性光学界面的结构及工作原理示意图,将单层WS2直接覆盖在金纳米孔阵列上,当光场经过金纳米孔时会携带相位信息,然后再和具有高二阶非线性系数的单层二维材料作用产生 SHG信号;同时金纳米孔中局域场增强效应可进一步提高其SHG转换效率,使其高于单层WS2,实验测得其非线性二阶极化率高达25 nm/V,其转换效率达10-5~10-6量级,比纯贵金属纳米结构提高3个数量级。这样既能保证高的 SHG 转换效率,又能实现 SHG多维度调控,如图1所示。

图1  非线性光学界面的SHG多功能调控

未来展望

可以看到,利用这种新型的非线性光学界面实现了高效率、多功能的SHG调控。相对于传统的SLM,具有像素尺寸小(亚波长),空间分辨率高的特点。在此基础之上,将对其进行优化(如优化贵金属纳米孔设计,采用多层3R相的二维材料等),进一步提高其SHG转换效率,可实现超薄、超紧凑的多功能非线性光学器件,在非线性精密检测、全息成像和自由空间量子通信等领域具有广阔的应用前景。

图 2  通过设计不同的金纳米孔阵列,成功实现了多功能的SHG调控,左图为SHG光束出射方向及偏振态的操控;右图为SHG涡旋光束和全息成像

作者简介

王凯,华中科技大学教授。主要从事超快和非线性纳米光子学的研究,以第一作者及通讯作者发表研究论文23篇,包括Nature Photon.Nano Lett.Adv. Funct. Mater.ACS Photon.Laser & Photon. Rev.等,发表合作署名SCI文章46篇,SCI引用1000余次,申请发明专利4项(获批2项)。主持国家自然科学基金面上项目1项,重大研究计划培育项目1项。

陆培祥,华中科技大学教授,教育部长江学者,国家杰出青年科学基金获得者,美国光学学会会士。陆培祥教授从1987年起一直从事激光与物质相互作用的实验和理论研究工作,已在Nature Photon., Phys. Rev. Lett., Nano Lett., Opt. Lett., Opt. Express, Phys. Rev., Appl. Phys. Lett.等学术刊物上发表SCI论文300多篇,被SCI引用5000多次(H因子大于30),曾获得中国科学院自然科学一等奖和日本IKEDA研究成果奖等奖励。

仇成伟,新加坡国立大学电子与计算机工程系的副教授(tenure), 2018年成为工学院“院长讲席教授”。研究方向为电磁散射理论,结构表面和结构光场,以及光力操控。担任过 Journal of Optical Society of America B的副主编, Photonics Research副主编,ACS Photonics的特刊编辑及eLight的主编。2005年度荣获美国SUMMA基金会SUMMA  Graduate  Fellowship  in  Advanced Electromagnetics;2007年IEEE Antennas & Propagation Society Graduate Fellowship;2007年日本IEICE Young Scientist Travel Grant; 2008年URSI Young Scientist Award; 2010年新加坡国立大学Young Investigator Award;2012年MIT TR35 Innovator Award in Asian.

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