[論文レビュー] An optical metamixer

Sheng Liu, Polina P. Vabishchevich+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 40被引用数 91

ひとこと要約

この論文は、GaAsベースの誘電性メタサーフェースを用いた光周波数ミキサーを実証し、二つのフェムト秒NIRパルスから同時に11個の新周波数を生成する際に複数の非線形過程を活用している。

ABSTRACT

A frequency mixer is a nonlinear device that combines electromagnetic waves to create waves at new frequencies. Mixers are ubiquitous components in modern radio-frequency technology and are widely used in microwave signal processing. The development of versatile frequency mixers for optical frequencies remains challenging: such devices generally rely on weak nonlinear optical processes and, thus, must satisfy phase matching conditions. In this work, we utilize a GaAs-based dielectric metasurface to demonstrate an optical frequency mixer that concurrently generates eleven new frequencies spanning the ultraviolet to near-infrared (NIR) spectral range. Our approach combines strong intrinsic material nonlinearities, enhanced electromagnetic fields, and relaxed phase-matching requirements, to allow seven different nonlinear optical processes to occur simultaneously. Specifically, when pumped by two femtosecond NIR pulses, we observe second-, third- and fourth-harmonic generation, sum-frequency generation, two-photon absorption induced photoluminescence, four-wave mixing, and six-wave mixing. Such ultracompact optical mixers may enable a plethora of applications in biology, chemistry, sensing, communications and quantum optics.

研究の動機と目的

• メタサーフェースを用いた光学周波数ミキサーを光学周波数でコンパクトに実証する。
• 強い非線形性と場強化を活用して位相整合の制約を緩和する。
• 単一デバイスで複数の非線形光学過程を同時に発生させる。

提案手法

• GaAsベースの誘電性メタサーフェースを非線形光学媒体として使用する。
• メタサーフェースを二つのフェムト秒近赤外パルスでポンプして非線形過程を駆動する。
• 二次・三次・四次高調波発生、和周波発生、二光子吸収誘起発光、四波混合、六波混合など、複数の非線形効果を観察・同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つのフェムト秒NIRパルスでポンプされた GaAs メタサーフェースベースのデバイスは、さまざまな非線形過程を介して複数の新周波数を生成できるか。
• RQ2 光学メタミキサーで同時に誘発できる非線形過程は何で、いくつの異なる新周波数を生成できるか。
• RQ3 固有の非線性、場の強化、および緩和された位相整合要件は、コンパクトな構造での多過程周波数生成にどう寄与するか。

主な発見

• メタサーフェースは同時に七つの異なる非線形光学過程をサポートする。
• 紫外線から近赤外までの11個の新周波数が生成される。
• この実験設計は強い本質的材料非線性と場の強化を利用して位相整合を緩和し、超コンパクトな光学混合を実現する。