基于二阶非线性信号强度调制的衬底结构

技术领域

本发明涉及非线性光学技术领域，特别涉及一种基于二阶非线性信号强度调制的衬底结构。

背景技术

二阶非线性光学效应是现代光学研究与应用中最基本、最重要的非线性光学过程之一，被广泛地用于频率转换、光学调制和量子光源等领域。由于存在晶格结构反演对称性，常用的硅基光子学材料往往不具备电偶极效应产生的二阶非线性光学响应。通常需要通过特定设计的表面、界面、或者高阶的电四极矩效应，用以破缺反演对称性并诱导出二阶非线性光学响应。但是这种传统的非线性光学研究存在两个重要挑战：一是非线性转换效率极低，即使在高强度的脉冲光激发下也仅能产生极少量的二阶非线性光子；二是体相电四极响应严重地干扰表面对称性破缺诱导的非线性信号分析。

相比传统体块非线性材料，二维材料具有极高的非线性光学敏感性，响应系数要比传统材料高数个数量级。然而，原子尺度的材料厚度极大地限制了非线性光与物质相互作用的长度，导致频率转换效率相对较低。为了解决这一问题，目前采用的策略主要有两种，一是激子共振增强，二是将二维材料与特殊微纳结构集成。其中激子共振依赖于材料激子能级，具有材料和波长的依赖性，存在普适性受限和通用性差的问题，而二维材料与特殊微纳结构集成，通常存在加工难度大、周期较长、制造成本高、以及难以多功能集成等诸多问题。

因此，在设计、制备和集成基于二维材料的多功能非线性光子学器件时，急需发展一种具有效率高、适应性好、制备成本低和加工难度低的简单策略，以提高二维材料的非线性转换效率以及简化对二阶非线性光学信号的有效调制。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种基于二阶非线性信号强度调制的衬底结构，能够可以实现两个量级左右的增强和完全抑制的功能，适用于二维材料的非线性系数测量以及在基于二维材料非线性光学器件中实现可调节的二阶非线性信号，所设计的结构具有效率高、适应性好、制备成本低以及加工难度低的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的基于二阶非线性信号强度调制的衬底结构，包括基底；第二功能层，其制备在基底上，第二功能层具有高反射率，第二功能层为至少一层金属薄膜；第一功能层，其制备在第二功能层上，待测样品置于第一功能层上，第一功能层用于使待测样品处基频电场的相位满足相长干涉条件，使二次谐波电场的相位满足相长干涉条件，第一功能层为单层介质膜或多层介质膜；第一功能层与第二功能层构成二阶非线性信号强度调制的功能性衬底；

对于s偏振光，通过控制第二功能层的反射率和第一功能层的厚度，使功能性衬底满足如下条件时二阶非线性信号强度最大：

其中，

对于p偏振光，通过控制第二功能层的反射率和第一功能层的厚度，使功能性衬底满足如下条件时二阶非线性信号强度最大：

其中，

优选地，第一功能层为单层介质膜或多层介质膜。

优选地，第一功能层为二氧化硅薄膜、二氧化钛薄膜、氮化硅薄膜或单晶六方氮化硼薄膜。

优选地，金属薄膜为金薄膜、银薄膜或钛薄膜。

与现有技术相比，本发明可以应用于测量二维材料的二阶非线性系数和调控基于二维材料的非线性光学器件中的二阶非线性信号，后者包括信号的增强和抑制，降低了对不同二维材料以及不同结构二维材料非线性光学器件中二阶非线性光信号的大幅度调制难度，可以克服差异化测试条件的难度。

附图说明

图1是根据本发明提供的基于二阶非线性信号强度调制的衬底结构的结构示意图；

图2是根据本发明提供的第一功能层为二氧化钛薄膜，第二功能层为银薄膜时，调控因子A随第一功能层厚度的变化曲线示意图；

图3是根据本发明提供的第一功能层为单晶六方氮化硼薄膜，第二功能层为银薄膜时，调控因子A随第一功能层厚度的变化曲线示意图。

其中的附图标记包括：基底1、第二功能层2、第一功能层3、待测样品4。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

对于待测样品的二次谐波效应，其二阶非线性辐射电场为：

其中，

其中，

其中，

其中，

从公式（1）中可以看出，当基频电场确定时，其二阶非线性辐射电场强度与衬底结构因子成正比，即通过增大结构因子，可以有效提高二阶非线性辐射电场强度。

从结构因子表达式（2）和（3）可以看出，其与整体结构的反射率相关。而整体结构的反射率与其构成衬底的结构单元的介电函数和厚度相关。在通常使用的硅基衬底中，其中硅的反射率低，且氧化层的厚度往往没有特殊设计使待测样品处的基频电场与二次谐波电场的相位相干增强，因而使得待测样品实际测到的二阶非线性辐射电场强度有很大的不确定性，很难获得较强的二阶非线性辐射电场强度。

为了表明衬底对待测样品二阶非线性信号的影响，定义衬底的调控因子

其中，

针对这个问题，本发明提出一种用于二阶非线性信号强度增强、抑制以及调控的衬底结构，经过对第一功能层和第二功能层构成的层状结构的构型和结构参数进行设计，使得待测样品处的基频电场与二次谐波电场的相位相干可以按需调制，并经由第二功能层获得更强的反射。具体来说就是，通过控制第一功能层的厚度和第二功能层的反射率，使得功能性衬底（由第一功能层和第二功能层构成）尽可能满足如下条件：

对于s偏振光，满足

对于p偏振光，满足

从而实现待测样品的二阶非线性信号强度最大。

理论上满足上述条件可以将二次谐波信号增强64倍，实际上由于损耗只能尽可能接近这一条件，因此实际效果可以到50倍左右。

图1示出了本发明提供的基于二阶非线性信号强度调制的衬底结构的结构。

如图1所示，第二功能层2置于基底1上，第一功能层3置于第二功能层2上，待测样品4置于第二功能层2上，第二功能层2和第一功能层3构成二阶非线性信号强度调制的功能性衬底，基频光波矢平行于所视平面，其中基底1不做限制。

实施例1

第一功能层3为单层介质膜，介质膜可以为二氧化硅、二氧化钛以及氮化硅；第二功能层2为金属薄膜，可以为金薄膜、银薄膜以及钛薄膜；待测样品4为单层、少层二维材料、二维材料异质结以及二维材料多层薄膜复合结构。

实施例2

第一功能层3为272 nm二氧化钛薄膜；第二功能层2为50 nm银薄膜，反射率大于95%；待测样品4为二维材料器件。

实施例3

第一功能层3为272 nm二氧化钛薄膜；第二功能层2为50 nm银薄膜，反射率大于95%；待测样品4为二维材料，可以为单层或者少层二维材料、二维材料异质结以及二维材料多层薄膜复合结构。

实施例4

第一功能层3为单晶六方氮化硼薄膜；第二功能层2为50 nm银薄膜，反射率大于95%；待测样品4为二维材料，可以为单层或者少层二维材料、二维材料异质结以及二维材料多层薄膜复合结构。

如图2和图3所示，当第一功能层3为272 nm二氧化钛薄膜或单晶六方氮化硼薄膜，第二功能层2为50 nm银薄膜时，在样品处的基频电场与二次谐波电场的相位相干增强，通过改变二氧化钛薄膜或单晶六方氮化硼薄膜的厚度，二次谐波信号可以在3个数量级范围内得到调制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。