[論文レビュー] Phase matched backward-wave second harmonic generation in a hyperbolic carbon nanoforest

A. K. Popov, Igor S. Nefedov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

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ひとこと要約

本論文は、特徴的な負および正の分散を設計することで、THzおよび中赤外帯域における位相一致した後退波二次高調波発生（SHG）を実現する超ひずみ炭素ナノチューブフォレストメタマテリアルを提案する。この手法は、金属基板上に配置された空間的分散性を示すカーボンナノチューブを用い、前進波と後退波が共存し、位相一致するようにする。パルス状態において最大10％の量子非線形反射率を達成し、周波数変換効率が類稀な新規メタリフレクタを実証する。

ABSTRACT

We show that deliberately engineered spatially dispersive metamaterial slab can enable co-existence and phase matching of contra-propagating ordinary fundamental and backward second harmonic electromagnetic modes. Energy flux and phase velocity are contra-directed in backward waves which determines extraordinary nonlinear-optical propagation processes. Frequencies, phase and group velocities, as well as nanowavequide losses inherent to the electromagnetic modes supported by the metamaterial can be tailored to optimize nonlinear-optical conversion of frequencies and propagation directions of the coupled waves. Such a possibility, which is of paramount importance for nonlinear photonics, is proved with numerical model of the hyperbolic metamaterial made of carbon nanotubes standing on metal surface. Extraordinary properties of backward-wave second harmonic in the THz and IR propagating in the reflection direction are investigated with focus on pulsed regime.

研究の動機と目的

• 前進波と後退波が共存し、位相一致するメタマテリアルの開発。
• 後退波モードにおける効率的な非線形周波数変換（二次高調波発生：SHG）の実現。
• プラズモニックメタマテリアルの損失を、後退波の方向性エネルギーフラックスを活用することで克服。
• 設計された分散を用いて、小型化された周波数倍増メタリフレクタを実現し、効率を向上。
• 負の磁化率に依存しない、非磁性の代替的負屈折率メタマテリアルの提供（負の磁化率に依存しない設計分散に基づく）

提案手法

• 金属基板上に垂直に配列されたカーボンナノチューブからなるハイパボリックメタマテリアルの数値モデル化。
• 群速度分散と損失を考慮した、連立偏微分方程式に従う平面進行波の簡略化モデルの使用。
• 空間的分散性誘電関数を設計し、負および正の分散分岐を共存させる。
• 基本波と二次高調波の間で位相一致条件を満たしたパルス状SHGのシミュレーション。
• 後退波におけるエネルギーフラックスと位相速度の対比を分析し、逆方向伝搬の確認。
• 金属的カーボンナノチューブおよび波ガイドモードに起因する損失機構の調査と、基本波と高調波への差別の影響の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタマテリアルは、前進波と後退波の位相一致した共存を可能にするか？
• RQ2 損失を伴う空間的分散性メタマテリアルにおいて、後退波SHGを効率的に実現できるか？
• RQ3 パルス状態は、後退波SHGにおけるエネルギー変換効率にどのように影響するか？
• RQ4 設計された分散が、負の磁化率に依存せずに位相一致を可能にする役割は何か？
• RQ5 本システムは、従来の物質における通常のSHGに比べ、反射率および指向性において優れた性能を示せるか？

主な発見

• THzおよび中赤外帯域の周波数において、カーボンナノチューブベースのハイパボリックメタマテリアルで位相一致した後退波SHGが達成された。
• 最適条件下で量子非線形反射率は約10％に達し、パワー反射率は2倍に向上した。
• メタスラブの厚さが増加するに従い、エネルギー変換効率が飽和する。これは、二次高調波が後退して伝搬するためであり、基本波が最も吸収されにくい前部領域で生成されるためである。
• 本システムは、厚さに伴う効率の特異的飽和挙動を示し、通常の物質におけるSHGとは対照的である。通常の物質では最大出力が内部で達成されるが、本システムでは表面付近で達成される。
• 損失は基本波と高調波の間で非対称に分布し、高調波は後退伝搬経路のおかげで有効損失が低くなる。
• 本手法により、小型で高効率の周波数倍増メタリフレクタが実現可能であり、パルス状態において類稀な性能を示した。