[논문 리뷰] Chiral Huygens metasurfaces for nonlinear structuring of linearly polarized light

Antonio Calà Lesina, Pierre Berini외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 24.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 60인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 나비 모양의 나노안테나를 기반으로 한 편광성질이 없는 필드 증폭을 갖는 편향성 헤이건스 메타표면을 제안하며, 선형 편광된 빛을 임의의 복잡도를 가진 고도로 구조화된 비선형 광학 빛으로 직접 변환한다. 나노안테나 간극 내에서의 편광에 민감하지 않은 필드 증폭과 반판차트남-베리 기하 위상의 특성을 활용하여, 궤도역량운동량이 41인 제3차 고조파 라게르-고시안 빛을 생성함으로써, 플라즈몬 대역폭을 초월한 고순도 비선형 빛 조작을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모든 선형 입사 편광에 대해 간극 내에서 편광에 민감하지 않은 강력한 필드 증폭을 가능하게 하는 편향성 플라즈몬 나노안테나를 설계하는 것.
• 원형 편광 자극이 필요 없이 선형 편광된 빛을 직접적으로 복잡한 구조화된 빛으로 비선형 변환할 수 있도록 하는 것.
• 헤이건스 소스 유사 방출 메커니즘을 이용하여 임의의 위상 및 진폭 프로파일을 가진 고순도 비선형 원거리 빛을 얻는 것.
• 비선형적으로 생성된 주파수의 유전체 유사 전파를 활용하여 플라즈몬 대역폭을 초월한 비선형 빛 조작을 실현하는 것.
• 최대 3600개의 나노안테나를 포함하는 대규모 FDTD 시뮬레이션을 통해 고차원 오비탈 각운동량 상태를 생성하는 확장 가능한 프레임워크를 제시하는 것.

제안 방법

• 나비 모양의 나노안테나는 모든 입사 선형 편광에 대해 하위파장 간극 내에서 강력하고 편광에 민감하지 않은 필드 증폭을 가능하게 하도록 편향 기하학으로 설계된다.
• 간극 내 근접장 전기장은 입사 편광 각도에 따라 거의 일정한 진폭과 선형적으로 변화하는 위상을 나타내어 비선형 과정의 구동장에 정밀한 제어를 가능하게 한다.
• 제3차 고조파 발생(THG)은 유전체 간극 내에서 즉각적인 킬러 비선형성을 사용하여 모델링되며, χ(3) ≫ χ(3)Au를 통해 금속 내 비선형성을 억제한다.
• 전파된 FDTD 코드를 사용한 고성능 컴퓨팅 플랫폼에서 3차원 유한차분 시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 수행하였으며, 물질 분산을 위한 ADE와 흠수 경계를 위한 CPML을 적용하였다.
• 원거리장 빛의 프로파일을 계산하기 위해 카르테시안 좌표계에서 근접장에서 원거리장으로의 변환을 적용한 후, 원통좌표계로 변환하여 궤도각운동량(OAM) 스펙트럼을 추출한다.
• 메타표면은 순환 경계 조건과 ωc 주파수에서의 가우시안 자극을 갖도록 설계되었으며, 주어진 비선형 극화도 방정식을 기반으로 FDTD 프레임워크 내에서 동시에 비선형 반응을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 편향성 나노안테나는 모든 선형 입사 편광에 대해 간극 내에서 광역대, 편광에 민감하지 않은 필드 증폭을 지원할 수 있는가?
• RQ2 이러한 나노안테나의 근접장은 비선형 과정을 고정밀 위상 및 진폭 제어로 구동하여 헤이건스 소스 유사 방출을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이러한 나노안테나의 메타표면은 예를 들어 고차원 OAM을 지닌 라게르-고시안 빛과 같은 임의의 공간적 복잡도를 가진 비선형 원거리 빛을 생성할 수 있는가?
• RQ4 나노안테나의 플라즈몬 대역폭 외부 주파수에서 고순도 비선형 빛 조작이 가능할 수 있는가?
• RQ5 수천 개의 나노안테나를 포함하는 대규모 시뮬레이션을 효율적으로 수행하여 제안된 프레임워크를 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 나비 모양의 나노안테나는 모든 입사 선형 편광에 대해 간극 내에서 균일한 필드 증폭을 나타내며, 진폭은 입사 각도에 거의 영향을 받지 않고 위상은 선형적으로 변화한다.
• 간극에서 발생하는 비선형 방출은 이상화된 헤이건스 소스처럼 행동하여 원거리장 빛의 진폭, 위상, 편광을 정밀하게 제어할 수 있다.
• 궤도각운동량이 41인 제3차 고조파 라게르-고시안 빛이 성공적으로 생성되어 고순도와 복잡한 빛 조작을 입증하였다.
• 최대 3600개의 나노안테나를 포함하는 메타표면의 시뮬레이션은 약 30×10^9개의 FDTD Yee 세포와 32,000개의 컴퓨팅 코어를 요구하였으며, 이는 프레임워크의 확장 가능성을 확인한다.
• 비선형 방출은 나노안테나의 플라즈몬 대역폭 외부 주파수에서 발생하여 선형 플라즈몬학으로는 접근할 수 없는 스펙트럼 영역에 접근할 수 있다.
• 근접장에서 원거리장으로의 변환 결과는 분석적 및 시뮬레이션된 원거리장 패atters 간에 뛰어난 일치를 보이며 수치적 접근의 타당성을 검증한다.