基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法

技术领域

本发明属于非线性光学领域，具体涉及一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法。

背景技术

非线性频率变换使激光源的波长范围超出了标准激光增益介质。在之前的研究中，科学家们已经意识到频率变换能在紫外激光，可见光激光，红外激光，中红外激光至太赫兹波段发现。证明了增益介质的性质材料对激光器件有重大影响。由于固有材料的非线性比较弱，传统的方法包括增加材料长度或泵浦光强度用于提高二次谐波产生(SHG)的效率。此外，需要满足基波和谐波之间的相位匹配以提高转换效率。如今，随着我们进入纳米技术时代，纳米尺度正逐渐成为研究热点。显然，在集成系统中使用全介质面临着巨大的限制，而严格的相位匹配要求也将阻碍该器件在亚波长中的应用。

近年来，由亚波长结构单元组成的谐振全介质超表面被广泛应用，实现了频率变换过程，包括谐波的产生和混频过程。超表面的单元结构可以看作是光学谐振器，能够将激发能量压缩到打破衍射极限的区域，这种场强的限制极大地促进了非线性效应。一般来说，增强非线性过程的谐振场增强与谐振模式的质量因子有关。因此，具有高Q的谐振模式更适合增强非线性相互作用。在非线性光学中使用两种典型的谐振模式分别是连续体(BIC)模式中的Mie模式和准束缚态。利用在砷化铝镓纳米盘或阵列中产生的磁偶极子共振模式，实现了SHG过程的增强。当泵浦激光强度达到GW/cm

发明内容

本发明的目的在于克服非线性光学中的二次谐波转换效率低，以及要考虑相位匹配问题，为了提高SHG的转换效率，本发明提供一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件及方法。

本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，所述器件以平行布置的第一栅条、第二栅条和两者中间的空气间隙组成基本的结构单元，由若干结构单元周期性排列形成的一维光栅，所述第一栅条和第二栅条均采用非线性材料；所有结构单元的顶面组成一维光栅的超表面，且每个结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状或参数进而打破对称性，获得不同的透射曲线，从而使一维光栅超表面产生二次谐波。

作为上述第一方面的优选，所述一维光栅超表面的尺寸应小于目标基频非线性光学波长，采用亚波长尺寸。

作为上述第一方面的优选，所述非线性材料为满足超表面谐振的要求材料。

作为上述第一方面的优选，所述非线性材料优选为砷化铝镓、磷化镓、铌酸锂。

作为上述第一方面的优选，所述结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状进而打破对称性，其中第一栅条的顶面拐角位置开设有横截面为方形的缺口，使第一栅条的横截面为一个在长方形单侧顶角位置开设方形空缺从而形成的六边形；而第二栅条的横截面与所述长方形一致。

进一步的，所述方形空缺的边长为0.1～50nm，所述长方形宽度为260～280nm，高度为390～410nm，所述器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度均为145～165nm。

作为上述第一方面的优选，所述结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何参数进而打破对称性，其中第一栅条和第二栅条的横截面均为长方形，但两条栅条的长方形横截面高度相同而宽度不同。

进一步的，所述第一栅条的长方形横截面的宽度为270nm，高度为390～410nm；第二栅条的长方形横截面的宽度为270～276nm但不等于270nm，高度为390～410nm；所述器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度均为425nm减去第二栅条的长方形横截面的宽度。

作为上述第一方面的优选，所述器件由n个结构单元沿同一平面周期性平行排列而成，器件内的结构单元完全一致，n为大于4的正整数。

第二方面，本发明提供了一种利用如上述第一方面任一方案所述器件的在非线性光学中产生二次谐波方法，所述器件的一维光栅超表面在与基频波谐振时，产生谐振电流或谐振电场，进而引起局域磁场和电场显著增强，从而对产生的二次谐波进行增强；按照目标二次谐波特性，通过调整两条栅条顶面的几何形状或参数，使器件产生的非线性光学二次谐波特性满足要求，进而用于在非线性光学中产生二次谐波。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明基于全介质准束缚态的非线性一维光栅超表面二次谐波产生，本方法具有较高的设计自由度，能根据实际需要设计超表面结构，实现基频在非线性光学中二次谐波产生。研究了准连续体束缚态模式下的谐振特性，以提供Q因子大于10

附图说明

图1为本发明器件的第一种光栅超表面示意图；

图2为该器件在第一种单个超表面平面示意图；

图3为该器件在不同正方形空气缺口宽度下的(a)透射曲线，(b)谐振波长和相关Q因子的变化；

图4为该器件在不同正方形空气缺口宽度下的(a)透射曲线和SHG效率谱，(b)SHG的非线性总电能的光谱。

图5为本发明器件的第二种光栅超表面示意图；

图6为该器件在第二种单个超表面平面示意图；

图7为该器件改变长方形(2)宽度下的(a)透射曲线，(b)宽度改变对谐振波长和Q因子的影响；

图8为该器件在改变长方形(2)宽度的(a)透射曲线和SHG效率谱，(b)SHG的强度在不同超表面上被激发。

图9为该器件在第一、二种超表面光栅和连续砷化铝镓薄膜情况下的SHG转换效率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的较佳实施例中，提供了一种基于超表面实现非线性光学频率变换的器件，其器件以平行布置的第一栅条1、第二栅条2和两者中间的空气间隙组成基本的结构单元，由若干结构单元周期性排列形成的一维光栅。其中，第一栅条1和第二栅条2均采用非线性材料。所有结构单元的顶面组成一维光栅的超表面，且每个结构单元通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状或参数进而打破对称性，获得不同的透射曲线，从而使一维光栅超表面产生二次谐波。

本发明的上述一维光栅超表面是一种非线性超表面结构，其尺寸应小于目标基频非线性光学波长，为具有亚波长尺寸的一维光栅。非线性超表面结构的组成材料，需满足超表面谐振对材料的要求，其非线性材料可选择砷化铝镓，磷化镓，铌酸锂等。每个结构单元的材料和尺寸完全相同，通过结构的改变，使得器件整体发生形变，可以使超表面单元结构具有不同的谐振频率。

本发明由连续介质中的准束缚态引起的具有高质量因子的全介质共振光栅超表面的二次谐波产生，这可以通过垂直入射的线偏振平面波得到。当光栅结构的对称性被破坏时，BIC模式被转化为Q-BIC模式，从而通过使用较低的泵浦激光强度促进SHG的转换。

需要注意的是，本发明中结构单元的顶部超表面打破对称性的做法可以分为两种，第一种是通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状进而打破对称性，第二种是通过将两条栅条顶面设置为不同的几何参数进而打破对称性。下面分别对两种打破对称性的做法进行详细描述。

如图1和图2所示，展示了第一种方案中通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状进而打破对称性的做法，可在第一栅条1的顶面拐角位置开设有横截面为方形的缺口3，使第一栅条1的横截面为一个在长方形单侧顶角位置开设方形空缺，从而形成的六边形。而第二栅条2的横截面与前述的长方形一致，即第二栅条2的横截面与开设缺口3之前的第一栅条1的横截面一致。由此，每个超表面单元结构中两条栅条的材料和总体长宽尺寸相同，通过改变第一栅条1的方形空气缺口的边长，就可以使超表面单元结构具有不同的透射曲线和SHG转换效率。

上述第一种方案中，第一栅条1和第二栅条2的具体尺寸参数可以根据实际进行优化调整。作为本发明实施例中的优选参数，方形空缺的边长为0.1～50nm，长方形宽度为260～280nm，高度为390～410nm，该器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度均为145～165nm。将上述各参数对应到图2中，即相关参数取值范围为t＝0.1～50nm，w＝260～280nm，h＝390～410nm，d＝145～165nm。

如图5和图6所示，展示了第二种通过将两条栅条顶面设置为不同的几何参数进而打破对称性的做法，可通过改变栅条的长方形横截面宽度来实现，即第一栅条1和第二栅条2的横截面均为长方形，但两条栅条的长方形横截面高度相同而宽度设置为不同。该方案中仅需改变长方形横截面的宽度，可以得到比图2展示的第一种方案器件结构下更高的二次谐波转换效率。

同样的，上述第二种方案中，第一栅条1和第二栅条2的具体尺寸参数可以根据实际进行优化调整。作为本发明实施例中的优选参数，第一栅条1的长方形横截面的宽度为270nm，高度为390～410nm；第二栅条2的长方形横截面的宽度为270～276nm但不等于270nm，高度为390～410nm；所述器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度均为425nm减去第二栅条2的长方形横截面的宽度。将上述各参数对应到图6中，即相关参数取值范围为w＝270nm，w

需要特别说明的是，本发明中上述描述尺寸参数过程中，长方形横截面的宽度和高度分别定义为该横截面平行于一维光栅超表面方向的尺寸和垂直于一维光栅超表面方向的尺寸，即宽度为图1和图5中的x方向，高度为图1和图5中的y方向。第一栅条1和第二栅条2沿z方向是均一的，即沿z方向不同位置的横截面均一致。

本发明的上述两种器件是基于全介质准束缚态的非线性一维光栅超表面二次谐波产生器件，其利用打破非线性材料的对称性激发局域场增强，从而实现更高的转换效率。本发明通过两种形式来实现二次谐波高效率的转换，具体调整的几何形状/参数是具有正方形空气缺口的宽度或不同长方形的宽度。在实际应用中，可通过改变结构的形状来实现更多功能，比如高次谐波、混频的产生。因此，本发明通过破坏结构的对称性，在全介质连续体准束缚态中实现高Q值，实现场强的增强，从而得到较高的二次谐波转换效率。

本发明的上述两种方案中，每个器件内包含的结构单元数量可以根据实际所要求的的器件大小进行调整，并不限定。器件由n个结构单元沿同一平面周期性平行排列而成，器件内的结构单元完全一致，n一般选择大于4的正整数。

上述器件在实际应用中，器件的一维光栅超表面在与基频波谐振时，产生谐振电流或谐振电场，进而引起局域磁场和电场显著增强，从而对产生的二次谐波进行增强。因此可利用该器件在非线性光学中产生二次谐波方法，具体为按照目标二次谐波特性，通过调整两条栅条顶面的几何形状或参数，使器件产生的非线性光学二次谐波特性满足要求，进而将满足要求的器件用于在非线性光学中产生二次谐波，通过泵浦光激发可在超表面上实现较高的转换效率。

当然，基于本发明的发现，设计不同的砷化铝镓结构，不局限于一维，也可以是二维、三维，能实现其他频率的非线性转换，比如高次谐波生成、和/差频产生、四波混频等，可广泛应用于通信、量子光学等领域。

下面将上述基于超表面实现非线性光学频率变换的器件应用于两个具体实例中，以展示其技术效果。

实施例1

在实施例1中，所提供的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件采用前述的第一种方案，即通过将两条栅条顶面设置为不同的几何形状进而打破对称性的做法，单个超表面结构单元如图1和图2所示。该器件的具体结构如前所述，此处不再赘述。但本实施例中的器件参数如下：

第一栅条1和第二栅条2的介质材料采用非线性材料中的砷化铝镓AlGaAs，具有非常好的二阶非线性磁化率。第一栅条1和第二栅条2中，方形空缺的边长t为从0.1变化到50nm，长方形宽度w为270nm，高度h为400nm，该器件中相邻两条栅条之间的空气间隙宽度d均为155nm。为了以示对比，本实施例中同时设置了t＝0nm的对比。通过不断改变方形空气缺口的宽度t可以得到不同的透射曲线和高质量因子，如图3(a)所示，透射曲线随着t的增加而变宽变细长，当空气缺口t＝0nm时，由于入射平面波的电场和磁场垂直于砷化铝镓阵列中的相应分量，故不能产生Q-BIC模式，狭窄的法诺形谐振峰消失。在图3(b)中，共振模式下的Q因子可以定义为Q＝f

为了更清楚的理解，图4显示了在最优值，即t＝35nm时的二次谐波转换效率和强度。图4(a)中，在1.55851μm处的SHG转换效率达到0.06，还可以观察到在图4(b)中二次谐波强度在入射泵浦波长一半处较高。

实施例2

在实施例2中，所提供的基于超表面实现非线性光学频率变换的器件采用前述的第二种方案，即通过将两条栅条顶面设置为不同的几何参数进而打破对称性的做法，单个超表面结构单元如图5和图6所示。该器件的具体结构如前所述，此处不再赘述。但本实施例中的器件参数如下：

第一栅条1和第二栅条2的介质材料采用非线性材料中的砷化铝镓AlGaAs，具有非常好的二阶非线性磁化率。第一栅条1的长方形横截面的宽度w为270nm，高度h为400nm；第二栅条2的长方形横截面的宽度w

为了验证实施例2中的超表面的优异转换性能，选择w

为了更清楚看出打破对称性带来更高的转换效率，图9显示了实施例1(type1)、实施例2(type2)和砷化铝镓薄膜(film)之间的SHG转换效率的比较。从图中可以看出，对于砷化铝钾薄膜，没有明显的共振波长，转换效率较低。通过结构的改变，可以促进局部场强增强，即使通过相同的基频泵浦光，也能获得更高的转换效率。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。