[論文レビュー] Resonantly tunable second harmonic generation from lithium niobate metasurfaces

Junjun Ma, Fei Xie+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、幾何的チューニングによりMie共鳴を設計することで、リチウムニオブ酸塩（LN）メタサーフェスにおける共鳴的可変第二高調波発生（SHG）を実証している。LN薄膜にナノスケールのナノ構造を形成することで、電場および磁場のMie共鳴を介し、最大で2倍のSHG効率向上—2.05 GW/cm²のポンプ強度で約2×10⁻⁶に達する—を達成した。構造パラメータを調整することにより、可視光帯域で波長を可変可能である。

ABSTRACT

Second harmonic generation (SHG) is a coherent nonlinear phenomenon that plays an important role in laser color conversion. Lithium niobate (LN), which features both a large band gap and outstanding second-order nonlinearities, acts as an important optical material for nonlinear frequency conversion covering a wide spectral range from ultraviolet to mid-infrared. Here we experimentally demonstrate LN metasurfaces with controllable SHG properties. Distinct enhancements for the SHG efficiency are observed at Mie-resonances. And by changing the geometric parameters thus the resonances of the metasurfaces, we manage to selectively boost the SHG efficiency at different wavelengths. Our results would pave a way for developing with high flexibility the novel compact nonlinear light sources for applications, such as biosensing and optical communications.

研究の動機と目的

• バルク材料の制限を克服し、ナノスケールで高効率かつ可変的第二高調波発生（SHG）を達成すること。
• LNメタサーフェスにおけるMie共鳴を活用し、回折限界を超える非線形光学的相互作用を強化すること。
• メタ原子の幾何的設計によるSHG効率スペクトルの実験的制御を実証すること。
• LNベースのメタサーフェスが、高柔軟性を備えたコンactで統合された非線形フォトニクス素子の実現可能性を検証すること。
• 四波混合や周波数混合生成を含む、より広範な非線形プロセスへのLNメタサーフェスの可能性を検討すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、リチウムニオブ酸塩（LN）薄膜上に周期的なTiO₂ナノ構造アレイを形成した。
• ナノ構造の幾何的パラメータ（デューティーサイクルD、高さh）を調整することで、可視光および近赤外帯域におけるMie共鳴をチューニングした。
• 有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて、電気的および磁気的デュポール共鳴とその非線形場強度増幅への影響をモデル化した。
• 可変波長のフェムト秒レーザー（740–1000 nm）を用い、200 fsパルス、80 MHz繰り返し周波数で実験的特徴付けを実施した。
• 透過第二高調波（SH）信号をUVマクロレンズ（N.A. = 0.38）を用いて収集し、ショートパスBG40フィルターを用いて基本波を除去した。
• 校正済みスペクトロメータを用いてSHG効率（η）を測定し、平均ポンプパワーを約23 mW（ピーク強度～2.05 GW/cm²）に一定に保った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LNメタサーフェスにおけるMie共鳴を設計することで、バルクLNを上回る第二高調波発生（SHG）効率を強化できるか？
• RQ2 メタ原子の幾何的チューニング（例：デューティーサイクルD）が、SHG共鳴のスペクトル的位置および強度に与える影響は何か？
• RQ3 ポンプの偏光状態および結晶の異方的非線形感受率（χ⁽²⁾）がSHG効率に果たす役割は何か？
• RQ4 実験的結果が、共鳴波長、スペクトル幅、および効率の大きさの点で、シミュレーション予測とどの程度一致するか？
• RQ5 LNメタサーフェスは、可変的かつ高効率なSHGを可視スペクトル全域で実現可能であり、フォトニクスチップへの統合の可能性を有するか？

主な発見

• s偏光ポンプ下での実験的SHG効率は、D = 600 nmのメタサーフェスで約2×10⁻⁶に達し、構造のないLN薄膜と比較して約2倍の向上を示した。
• 実験的に観測された共鳴的SHGピークは、シミュレーションと整合的であり、デューティーサイクルDの増加に伴い赤方シフトを示した。
• s偏光励起下でのSHG効率は、p偏光励起と比較して約1桁高いことが判明した。これは、主なχ⁽²⁾ₑₑₑ成分とより良好に一致しているためである。
• D = 600 nm構造では、400 nmでSHG効率が5倍向上した。これは、幾何的設計によるチューニングが確認されたことを示している。
• 実験的η曲線は、シミュレーションと比較して、スペクトル幅が広く、大きさが低かった。これは、実際のサンプルにおけるQファクターの低さおよびアライメントの不備に起因するとされた。
• LNメタサーフェスに電場および磁場の両方のMie共鳴が存在することで、強い場の閉じ込めと効率的な非線形変換が実現され、二重共鳴メカニズムの妥当性が裏付けられた。