[論文レビュー] Optical anapole mode in nanostructured lithium niobate for enhancing second harmonic generation

Yang Li, Zhijin Huang+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、二次高調波発生（SHG）を強化するために、設計されたアナポールモードを有するナノ構造リン酸ニッブ酸リチウム（LiNbO3）プラットフォームを提案する。高屈折率対比を有する超ひずみ媒質基板と、ε-近零（ENZ）特性を有する構造を用いることで、光場を閉じ込めるとともに遠方場放射を抑制する。11 GW/cm²のポンプパワー下で282 nmの波長で最大0.01%のSHG変換効率を達成し、広範なポンプ波長範囲で可変なSHGを実現する。

ABSTRACT

Second harmonic generation (SHG) with a material of large transparency is an attractive way of generating coherent light sources at exotic wavelength range such as VUV, UV and visible light. It is of critical importance to improve nonlinear conversion efficiency in order to find practical applications in quantum light source and high resolution nonlinear microscopy, etc. Here an enhanced SHG with conversion efficiency up to the order of 0.01% at SH wavelength of 282 nm under 11 GW/cm2 pump power via the excitation of anapole in lithium niobite (LiNbO3, or LN) nanodisk through the dominating d33 nonlinear coefficient is investigated. The anapole has advantages of strongly suppressing far-field scattering and well-confined internal field which helps to boost the nonlinear conversion. Anapoles in LN nanodisk is facilitated by high index contrast between LN and substrate with properties of near-zero-index via hyperbolic metamaterial structure design. By tailoring the multi-layers structure of hyperbolic metamaterials, the anapole excitation wavelength can be tuned at different wavelengths. It indicates that an enhanced SHG can be achieved at a wide range of pump light wavelengths via different design of the epsilon-near-zero (ENZ) hyperbolic metamaterials substrates. The proposed nanostructure in this work might hold significances for the enhanced light-matter interactions at the nanoscale such as integrated optics.

研究の動機と目的

• 量子光源および非線形顕微鏡への応用を目的として、リン酸ニッブ酸リチウムにおける二次高調波発生（SHG）効率の向上。
• 従来のSHG材料における低い非線形変換効率の課題を、光アナポールモードの利用によって克服すること。
• ε-近零（ENZ）特性を有する可変なハイパボリックメタマテリアル基板を設計し、強い場の閉じ込めと散乱の抑制を実現すること。
• X-切片リン酸ニッブ酸リチウムにおける支配的であるd33非線形係数を用いて、LiNbO3ナノディスク構造における実験的に達成可能なSHG効率を実証すること。

提案手法

• ε-近零（ENZ）特性を有する多層ハイパボリックメタマテリアル基板を設計し、LiNbO3ナノディスク内でアナポールモード励起を可能にする。
• LiNbO3と基板との間の高い屈折率対比を活用し、強い場の局在化と遠方場放射の抑制を実現する。
• 多層構造を設計して、広範なポンプ波長範囲にわたるアナポール励起波長を調整可能にする。
• X-切片リン酸ニッブ酸リチウムにおける支配的であるd33非線形係数を活用し、二次高調波発生効率を最大化する。
• 内部場強度を最大化するとともに放射損失を最小化するため、ナノ構造の幾何形状をシミュレーションおよび最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LiNbO3ナノディスク構造におけるアナポールモードが、二次高調波発生効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 ε-近零（ENZ）ハイパボリックメタマテリアル基板は、異なるポンプ波長範囲で可変なアナポール励起をどのように実現するか？
• RQ3 アナポールモードにおける場の閉じ込めが、放射損失をどれほど低減させ、非線形変換効率を向上させるか？
• RQ4 高ポンプ強度下でのこのナノ構造リン酸ニッブ酸リチウムプラットフォームにおける最大達成可能なSHG変換効率はどの程度か？
• RQ5 この設計は、広範な入射波長範囲で効率的なSHGを実現するために一般化可能か？

主な発見

• 提案されたナノ構造は、ポンプパワー11 GW/cm²の下で282 nmの波長で最大0.01%の二次高調波発生（SHG）変換効率を達成した。
• アナポールモードは、LiNbO3ナノディスク内に光場を閉じ込めるとともに、遠方場散乱を効果的に抑制し、光-物質相互作用を強化した。
• ε-近零（ENZ）特性を有するハイパボリックメタマテリアル基板の利用により、広範なポンプ波長範囲にわたる可変なアナポール励起が可能となった。
• X-切片リン酸ニッブ酸リチウムにおける支配的であるd33非線形係数を活用することで、SHG効率の最大化が実現された。
• 理論的分析により、LiNbO3と基板との高い屈折率対比が、強いアナポールモード励起と場の局在化を可能にする上で極めて重要であることが確認された。
• 多層ハイパボリックメタマテリアル構造により、アナポール共鳴波長の正確な設計が可能となり、多様なポンプ周波数への応用が可能となった。