[論文レビュー] Chiral Huygens metasurfaces for nonlinear structuring of linearly polarized light

Antonio Calà Lesina, Pierre Berini+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 60被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、バタフライナノアンテナを用いたキラルHuygensメタサーフェスを提案し、任意の複雑さを持つ高構造的な非線形光学ビームに、直線偏光光を直接変換することを可能にする。ナノアンテナギャップにおける偏光に依存しない場の強調と、Pancharatnam-Berry幾何位相を活用することで、軌道的角運動量が41の3次高調波ラゲール-ガウスビームが生成され、プラズモニック帯域幅を超えた高純度の非線形ビーム形成が実証された。

ABSTRACT

We report on a chiral nanostructure, which we term a "butterfly nanoantenna," that, when used in a metasurface, allows the direct conversion of a linearly polarized beam into a nonlinear optical far-field of arbitrary complexity. The butterfly nanoantenna exhibits field enhancement in its gap for every incident linear polarization, which can be exploited to drive nonlinear optical emitters within the gap, for the structuring of light within a frequency range not accessible by linear plasmonics. As the polarization, phase and amplitude of the field in the gap are highly controlled, nonlinear emitters within the gap behave as an idealized Huygens source. A general framework is thereby proposed wherein the butterfly nanoantennas can be arranged on a surface to produce a highly structured far-field nonlinear optical beam with high purity. A third harmonic Laguerre-Gauss beam carrying an optical orbital angular momentum of 41 is demonstrated as an example, through large-scale simulations on a high-performance computing platform of the full plasmonic metasurface with an area large enough to contain up to 3600 nanoantennas.

研究の動機と目的

• 任意の直線入射偏光に対して、ギャップ内に偏光に依存しない場の強調を実現するキラルプラズモニックナノアンテナの設計。
• 円偏光励起を必要とせず、直線偏光光を複雑な構造ビームに直接非線形変換することの実現。
• Huygens源に類似た放射メカニズムを用いて、任意の位相および振幅プロファイルを持つ高純度の非線形遠方ビームを達成すること。
• 非線形に生成された周波数の誘電体的伝搬を活用することで、プラズモニック帯域幅を超えた非線形ビーム形成を実現すること。
• 最大3600個のナノアンテナを有するメタサーフェスのスケーラブルなフレームワークを、大規模FDTDシミュレーションにより実証すること。

提案手法

• バタフライナノアンテナは、すべての入射直線偏光に対して、サブ波長ギャップ内で強い偏光に依存しない場の強調を実現するキラル幾何形状に設計された。
• ギャップ内の近場電場は、入射偏光角度に対してほぼ一定の振幅と線形に変化する位相を示し、非線形プロセスの駆動場に対する正確な制御を可能にする。
• 3次高調波生成（THG）は、誘電ギャップにおける即時的Kerr非線形性を用いてモデル化され、金におけるχ(3) ≫ χ(3)Auの関係を満たすことで、金内の非線形性を抑制する。
• 全波3次元有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションは、材料分散を扱うADEおよび吸収境界を扱うCPMLを用いた並列化FDTDコードを用いて、高性能コンピューティングプラットフォームで実施された。
• 遠方ビームプロファイルの計算のため、カーテシアン座標系で近場から遠方への変換が適用され、その後、円筒座標系に変換して軌道的角運動量（OAM）スペクトルを抽出した。
• メタサーフェスは周期的境界条件と、周波数ωcにおけるガウス励起を有し、与えられた非線形極化方程式に従って、FDTDフレームワーク内ですべての非線形応答が同時に計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラルナノアンテナは、任意の直線入射偏光に対して、広帯域で偏光に依存しないギャップ内場の強調を実現できるか？
• RQ2 このようなナノアンテナの近場は、Huygens源に類似た放射を可能にする高精度な位相および振幅制御を用いた非線形プロセスを駆動できるか？
• RQ3 このようなナノアンテナのメタサーフェスは、高OAMラゲール-ガウスビームのような、任意の空間的複雑さを持つ非線形遠方ビームを生成できるか？
• RQ4 ナノアンテナのプラズモニック帯域幅を超えた周波数領域で、高純度の非線形ビーム形成が可能か？
• RQ5 数千個のナノアンテナのシミュレーションを効率的に実行でき、提案フレームワークの妥当性を検証できるか？

主な発見

• バタフライナノアンテナは、すべての入射直線偏光に対してギャップ内で一様な場の強調を示し、振幅は入射角度にほとんど依存せず、位相は線形に角度に依存する。
• ギャップからの非線形放射は、理想化されたHuygens源としての振る舞いを示し、遠方ビームの振幅、位相、偏光を正確に制御可能である。
• 軌道的角運動量が41の3次高調波ラゲール-ガウスビームが成功裏に生成され、高純度および複雑なビーム形成が実証された。
• 最大3600個のナノアンテナを有するメタサーフェスのシミュレーションには約30×10^9個のFDTD Yeeセルと32,000コアの計算資源が必要であり、フレームワークのスケーラビリティが確認された。
• 非線形放射は、ナノアンテナのプラズモニック帯域幅を超えた周波数で発生し、線形プラズモニクスでは到達できないスペクトル領域へのアクセスが可能となった。
• 近場から遠方への変換結果は、解析的およびシミュレーテッド遠方パターンの間で優れた一致を示し、数値的手法の妥当性が検証された。