[논문 리뷰] Optical anapole mode in nanostructured lithium niobate for enhancing second harmonic generation

Yang Li, Zhijin Huang외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 22.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고군형 대비 초고군형 초합금성 물질 기반 기판을 이용해, 2차 고조파 생성(SHG)을 향상시키기 위해 설계된 나노구조 리튬니오브산염(LiNbO3) 플랫폼을 제안한다. 이 기판은 에프실론-근처 제로(ENZ) 성질을 지닌 고군형 대비 초합금성 물질로, 광장의 국소화와 원거리 산란의 억제를 통해 11 GW/cm²의 펌프 전력에서 282 nm 파장에서 최대 0.01%의 SHG 변환 효율을 달성한다. 이는 다양한 펌프 파장에서 조절 가능한 SHG를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 광원 및 비선형 현미경 응용을 위한 리튬니오브산염에서의 2차 고조파 생성(SHG) 효율 향상.
• 기존 SHG 재료에서 낮은 비선형 변환 효율 문제를 해결하기 위해 광학 아나폴 모드를 활용.
• 에프실론-근처 제로(ENZ) 특성을 지닌 조절 가능한 초합금성 물질 기반 기판을 설계하여 강한 장의 국소화와 산란 억제를 실현.
• X-절단 리튬니오브산염의 주요 비선형 계수 d33을 활용하여 리튬니오브산염 나노디스크에서 실험적으로 측정 가능한 SHG 효율을 입증.

제안 방법

• 에프실론-근처 제로(ENZ) 성질을 지닌 다층 초합금성 물질 기반 기판을 설계하여 리튬니오브산염 나노디스크에서 아나폴 모드를 유도.
• 리튬니오브산염과 기판 간의 고군형 대비를 활용해 강한 장의 국소화 및 원거리 복사의 억제를 실현.
• 다층 기반 구조를 설계하여 다양한 펌프 파장에서 아나폴 모드의 유도 파장을 조절 가능하게 함.
• X-절단 리튬니오브산염에서 지배적인 d33 비선형 계수를 활용해 2차 고조파 생성 효율을 최대화.
• 내부 장 강도를 극대화하고 복사 손실을 최소화하기 위해 나노구조 기하학적 형상을 시뮬레이션 및 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리튬니오브산염 나노디스크에서 아나폴 모드가 2차 고조파 생성(SHG) 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 에프실론-근처 제로(ENZ) 성질을 지닌 초합금성 물질 기반 기판이 다양한 펌프 파장에서 조절 가능한 아나폴 모드를 유도하는가?
• RQ3 아나폴 모드에서의 장 국소화가 복사 손실을 얼마나 줄이고 비선형 변환 효율을 향상시키는가?
• RQ4 고강도 펌프 조건에서 이 나노구조 리튬니오브산염 플랫폼에서 달성 가능한 최대 SHG 변환 효율은 얼마인가?
• RQ5 이 설계는 다양한 입력 파장에서 효율적인 SHG를 가능하게 일반화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 나노구조는 11 GW/cm²의 펌프 전력에서 282 nm 파장에서 최대 0.01%의 2차 고조파 생성(SHG) 변환 효율을 달성한다.
• 아나폴 모드는 리튬니오브산염 나노디스크 내부에 광장을 국소화하면서도 원거리 산란을 효과적으로 억제하여 빛-물질 상호작용을 향상시킨다.
• 에프실론-근처 제로(ENZ) 성질을 지닌 초합금성 물질 기반 기판을 활용함으로써 다양한 펌프 파장에서 조절 가능한 아나폴 모드 유도가 가능하다.
• X-절단 리튬니오브산염의 지배적인 d33 비선형 계수를 활용하여 SHG 효율을 최대화한다.
• 이론적 분석을 통해 리튬니오브산염과 기판 간의 고군형 대비가 강한 아나폴 모드 유도 및 장 국소화를 가능하게 하는 데 핵심적임을 확인하였다.
• 다층 초합금성 물질 기반 구조는 아나폴 공진 파장을 정밀하게 설계 가능하게 하여 다양한 펌프 주파수에 적용 가능한 응용 가능성을 제공한다.