[论文解读] Chiral Huygens metasurfaces for nonlinear structuring of linearly polarized light

Antonio Calà Lesina, Pierre Berini+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 60被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种基于蝴蝶形纳米天线的手性赫兹曼超表面，可直接将线性偏振光转换为具有任意复杂度的高度结构化的非线性光学束。通过利用纳米天线间隙中的偏振无关场增强效应，并利用Pancharatnam-Berry几何相位，该系统生成了具有轨道角动量41的三倍频拉盖尔-高斯光束，展示了超越等离子体带宽的高纯度非线性光束整形。

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.

研究动机与目标

• 设计一种手性等离子体纳米天线，使其在任意线性入射偏振下均能在其间隙中实现偏振无关的场增强。
• 实现线性偏振光到复杂结构光束的直接非线性转换，而无需使用圆偏振激发。
• 利用类似赫兹曼源的辐射机制，实现具有任意相位和振幅分布的高纯度非线性远场光束。
• 通过利用非线性生成频率的介电型传播，将非线性光束整形扩展至等离子体带宽之外。
• 通过大规模FDTD仿真（最多3600个纳米天线）验证一种可扩展的框架，用于生成高阶轨道角动量态。

提出的方法

• 通过设计具有手性几何结构的蝴蝶形纳米天线，使其在亚波长间隙中对所有入射线性偏振均支持强且偏振无关的场增强。
• 间隙中的近场电场表现出几乎恒定的振幅和随入射偏振角线性变化的相位，从而实现对非线性过程驱动场的精确控制。
• 使用介质间隙中的瞬时克尔非线性模型模拟三倍频生成（THG），其中 χ(3) ≫ χ(3)Au 以抑制金中的非线性响应。
• 在高性能计算平台上使用并行化FDTD代码，结合ADE处理材料色散和CPML处理吸收边界，对全波三维有限元时域（FDTD）进行仿真。
• 在笛卡尔坐标系中应用近场到远场转换以计算远场光束轮廓，随后转换为柱坐标系以提取轨道角动量（OAM）谱。
• 超表面采用周期性边界条件，并在 ωc 处施加高斯激发，非线性响应在FDTD框架内通过给定的非线性极化方程同步计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 手性纳米天线是否能在其间隙中对任意线性入射偏振实现宽带、偏振无关的场增强？
• RQ2 此类纳米天线的近场是否可用于驱动具有高相位和振幅控制能力的非线性过程，从而实现类似赫兹曼源的辐射？
• RQ3 由这些纳米天线构成的超表面是否能生成具有任意空间复杂度的非线性远场光束，例如高阶OAM拉盖尔-高斯光束？
• RQ4 是否可能在纳米天线等离子体带宽之外实现高纯度非线性光束整形？
• RQ5 能否高效地对数千个纳米天线的大规模仿真进行，以验证所提出的框架？

主要发现

• 蝴蝶形纳米天线对所有入射线性偏振均表现出均匀的间隙场增强，其振幅几乎与入射角无关，相位随入射角线性变化。
• 间隙中的非线性辐射行为类似于理想化的赫兹曼源，可精确控制远场光束的振幅、相位和偏振。
• 成功生成了携带轨道角动量41的三倍频拉盖尔-高斯光束，展示了高纯度和复杂的光束整形。
• 对最多3600个纳米天线的超表面仿真共需约30×10^9个FDTD Yee单元和32,000个计算核心，证实了该框架的可扩展性。
• 非线性辐射发生在纳米天线等离子体带宽之外的频率，从而可进入线性等离子体学无法触及的光谱区域。
• 近场到远场转换结果在分析解与仿真结果之间表现出极佳的一致性，验证了数值方法的可靠性。