[論文レビュー] Nonlinear absorption in dielectric metamaterials

Brian Slovick, Lucas Zipp+1 more|Figshare|Sep 23, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非線形マクスウェル方程式を解くフル波動モデルを構築し、InPベースの誘電体メタマテリアルにおける二光子吸収（TPA）および光誘発自由キャリア吸収（FCA）を考慮した。その結果、非線形吸収は電気的および磁気的ミエ共鳴を減衰させるが、特に波長依存性のFCAにより磁気共鳴の減衰が顕著になる。一方で、均質な層と比較して30倍低い強度で非線形効果を発現可能にし、効率的な光制限および周波数変換が可能になることが明らかになった。

ABSTRACT

We solve the nonlinear Maxwell equations in an InP-based dielectric metamaterial, considering both two-photon absorption and photo-induced free-carrier absorption. We obtain the intensity-dependent reflection, absorption, and effective permittivity and permeability of the metamaterial. Our results show that nonlinear absorption dampens both the electric and magnetic Mie resonance, although the magnetic resonance is more affected because it occurs at longer wavelengths where the free-carrier absorption cross section is larger. Owing to field concentration in the metamaterial at resonance, the threshold intensity for nonlinear absorption is smaller by a factor of about 30 compared to a homogeneous layer of the same thickness. Our results have implications on the use of dielectric metamaterials for nonlinear applications such as frequency conversion and optical limiting.

研究の動機と目的

• 高強度照明下における誘電体メタマテリアルのフル波動非線形光学的応答をモデル化すること。
• 3次元InPベースのメタマテリアルにおけるミエ共鳴に及ぼす二光子吸収（TPA）および自由キャリア吸収（FCA）の影響を調査すること。
• 非線形吸収の強度閾値を定量し、均質材料と比較すること。
• 非線形吸収が共鳴付近での有効誘電率および透磁率に与える影響を分析すること。
• 電場集中度が低いにもかかわらず磁気共鳴でより強い吸収が観測されるという直感に反する結果を説明すること。

提案手法

• 非線形マクスウェル方程式のフル波動解を導出し、TPAおよびFCAを強度および波長依存性非線形性として組み込んだ。
• InPのフルバンド構造計算から非線形パラメータ（TPA係数およびFCA断面積）を抽出した。
• メタマテリアルは、周期性800 nmの正方形格子に配置された360 nmのInP球体から構成され、0.9–1.3 µm帯のミエ共鳴に最適化されている。
• シミュレートされた反射および透過スペクトルからのSパラメータ逆問題解法により、有効パラメータ（εおよびμ）を抽出した。
• 有限差分時間法（FDTD）シミュレーションを用いて共鳴における場の強度増幅を定量し、均質層と比較した。
• FCAの周波数依存性をモデルに組み込み、共鳴の正確な減衰予測に不可欠であることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形吸収は誘電体メタマテリアルにおける電気的および磁気的ミエ共鳴にどのように減衰効果を及ぼすか？
• RQ2 電場集中度が低いにもかかわらず、なぜ磁気共鳴で非線形吸収が強く発現するのか？
• RQ3 本メタマテリアルにおける非線形吸収の強度閾値は、同じ厚さの均質なInP層と比べてどの程度か？
• RQ4 波長依存性FCAが、電気的共鳴と磁気的共鳴における相対的吸収にどのように影響を与えるか？
• RQ5 非線形損失は、メタマテリアルの有効誘電率および透磁率にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 非線形吸収は電気的および磁気的ミエ共鳴を両方減衰させるが、特に長波長特性と高いFCA断面積により、磁気共鳴の抑制が顕著に強い。
• 連続波照射下では、非線形吸収の顕著な発現は約1 MW/cm²で開始され、5 MW/cm²で共鳴はほぼ完全に抑制される。
• 電気的共鳴ではより強い場の局在が見られるが、長波長域で大きな波長依存性FCA断面積が発現するため、磁気共鳴での吸収がより高くなる。
• 本メタマテリアルにおける非線形吸収の強度閾値は、同じ厚さの均質なInP層と比較して約30倍低く抑えられる。これは共鳴における場の集中に起因する。
• 有効透磁率および誘電率は、強度上昇に伴い共鳴が広がり、虚数部および損失が増加する傾向を示し、Kramer-Kronig関係式の予測と整合的である。
• FCAを波長依存性なしと仮定すると、両共鳴における吸収はほぼ同等になるため、共鳴非対称性に寄与するFCAのスペクトル依存性の重要性が明確になる。