Fig. 1. Schematiskt diagram av det dubbla BIC-schemat för att öka SHG med monolager WS2 ovanpå den fotoniska gitterplattan. Kredit:Compuscript Ltd
Två fotoner kan slås samman för att generera en foton med fördubblad frekvens i olinjära optiska material. Denna process är känd som andra harmoniska generationen (SHG), som först upptäcktes på 1960-talet, omedelbart efter uppfinningen av lasern. Sedan dess har utvecklingen av SHG lett till många tillämpningar inom avancerad teknik, såsom ljuskällor på chip, bildbehandling, avkänning och kommunikation. Till exempel är SHG-baserade avbildningsenheter, som fångar det nära-infraröda (NIR) ljuset och avger ljus i det synliga området, kärnan i utvecklingen av nya helt optiska NIR-bildtekniker, såsom mörkerseende.
Medan många tillämpningar inom olinjär optik har demonstrerats via traditionella bulkmaterial, erbjuder de nyligen framväxande 2D-materialen oöverträffade möjligheter inom det olinjära optikområdet. Till exempel, när kristallerna av övergångsmetalldikalkogenider (TMD) tunnas ut för att vara monolager, uppvisar de direkt bandgap, stark luminescens, rumstemperaturstabila excitoner och stark andra ordningens olinjäritet. Dessa unika optiska egenskaper gör monolager av TMD till en attraktiv plattform för att utforska nya linjära och olinjära optiska effekter och deras relaterade tillämpningar. På grund av interaktionslängden i atomär skala med ljus avger emellertid en enda TMDs monolager en extremt låg SHG-signal, vilket avsevärt hindrar utvecklingen av praktiska olinjära metadevices baserade på 2D-material.
Under de senaste åren har dielektriska nanoresonatorer med högt brytningsindex blivit en lovande plattform för att förbättra SHG. Dessutom har det visat sig att den låga SHG-effektiviteten från 2D-material kan åtgärdas genom att förstora ljusfältets styrka i sådana dielektriska resonatorer. De uppvisar försumbara optiska förluster vid synliga våglängder och NIR-våglängder jämfört med deras plasmoniska motsvarigheter. Bland olika egenskaper hos dielektriska nanoresonatorer, har deras förmåga att uppvisa stark inneslutning av ljusfält, så kallat bundet tillstånd i kontinuum (BIC), introducerats som en unik egenskap i dielektriska nanoresonatorer. BIC:s egenfrekvens, som ligger i kontinuumspektrumet, har dykt upp som ett lovande tillvägagångssätt för att förbättra SHG i 2D-material.
Fig. 2. Rumslig överlappningskoefficient och SHG-effektivitet med en homogen WS2 (a-b) respektive en mönstrad WS2 (c-d) ovanpå den fotoniska gitterplattan. (a) och (c):Den Kx-beroende rumsliga överlappningskoefficienten. (b) och (d):Den Kx-beroende SHG-effektiviteten övervakad på den reflekterade (översta) respektive sända (nedre) sidan. Den blå stjärnan i (b) och (d) är en referenspunkt för att visa SHG-effektiviteten med ett fristående WS2-monoskikt respektive den med homogen WS2 ovanpå gittret. Grundvågen infaller från gittrets ovansida och intensiteten är inställd på 0,1 GW/cm 2 . Kredit:Compuscript Ltd
Nyligen har ett internationellt team som involverar University of Electronic Science and Technology i Kina och Nottingham Trent University föreslagit ett dubbelt BIC-schema med de grundläggande och andra övertonsvågorna i resonans samtidigt för att öka omvandlingseffektiviteten för SHG från TMDs monolager. Som visas i Fig. 1 är paret BIC:er kavitetslägen inom en noggrant utformad GaP-gitterplatta. Genom att överföra TMD:s monolager till BIC:s skiva, kan SHG-signalen för TMD:s monolager till stor del förstärkas på grund av dubbla BICs resonansprocess. Med andra ord kan det grundläggande ljusets elektriska fält förstärkas avsevärt genom att excitera den första BIC:en, och under tiden kommer exciteringen av den andra BIC:en vid harmonisk våglängd att ytterligare öka den olinjära emissionen.
Huvudutmaningen i denna studie var den rumsliga modanpassningen inom TMD-monoskiktet mellan BIC-resonant grundvåg och andra övertonsvåg. Forskarna har visat att en lätt lutning av grundvågens infallsvinkel avsevärt kan förbättra den spatiala modanpassningen inom TMD:s monolager, vilket ger upphov till fyra storleksordningar förbättringar av SHG-effektiviteten, jämfört med det med ett enda TMDs monolager [se FIG. 2(a)–(b)]. Dessutom, genom att utforska 2D-naturen hos TMD:s monolager, har forskarna visat att mönstring av TMD:s monolager kan optimera rumslig lägesmatchning. Detta kommer att ytterligare förstärka SHG-processen för TMD:s monolager och förstärka SHG-signalen upp till sju storleksordningar, som visas i Fig. 2(c)–(d).
Dessa resultat, publicerade i Opto-Electronic Advances , erbjuder nya möjligheter att förbättra SHG i praktiska tillämpningar med TMDs monolager, vilket visar nya möjligheter för olinjär optik med tunna atomära 2D-material, inklusive ny typ av ljuskällor, helt optisk mörkerseendeteknologi baserad på frekvensomvandling. + Utforska vidare
