[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究建立了一个全波模型，求解基于InP的介质超材料中的非线性麦克斯韦方程，考虑了双光子吸收（TPA）和光致自由载流子吸收（FCA）。结果表明，非线性吸收会抑制电偶极子和磁偶极子Mie共振，且对磁共振的抑制更强，这是由于自由载流子吸收具有波长依赖性；同时，该效应使非线性效应的阈值降低至均匀层的1/30，从而实现高效的光学限幅和频率转换。

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.

研究动机与目标

• 建立高强光照下介质超材料全波非线性光学响应的模型。
• 研究双光子吸收（TPA）和自由载流子吸收（FCA）对三维InP基超材料中Mie共振的影响。
• 量化非线性吸收的强度阈值，并与均匀材料进行比较。
• 分析非线性吸收如何影响有效介电常数和磁导率，特别是在共振附近。
• 解释反直觉现象，例如尽管电场集中度较低，磁共振处的吸收反而更强。

提出的方法

• 推导了包含TPA和FCA作为强度与波长相关非线性的非线性麦克斯韦方程的全波解。
• 从InP的全带结构计算中提取非线性参数（TPA系数和FCA截面）。
• 超材料由周期性为800 nm的正方形晶格中的360 nm InP球体构成，优化用于0.9–1.3 µm波段的Mie共振。
• 通过模拟的反射与透射光谱的S参数反演方法提取有效参数（ε和μ）。
• 利用有限差分时域（FDTD）模拟量化共振处的场增强，以与均匀层进行比较。
• 模型考虑了FCA的频率依赖性，这对准确预测共振抑制至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性吸收如何影响介质超材料中电偶极子和磁偶极子Mie共振的阻尼？
• RQ2 尽管电场集中度较低，为何非线性吸收在磁共振处更强？
• RQ3 与相同厚度的均匀InP层相比，该超材料中非线性吸收的强度阈值是多少？
• RQ4 波长依赖的自由载流子吸收如何影响电共振与磁共振处的相对吸收？
• RQ5 非线性损耗在多大程度上改变了超材料的有效介电常数和磁导率？

主要发现

• 非线性吸收同时抑制了电偶极子和磁偶极子Mie共振，且磁共振受到更强的抑制，原因在于其波长更长且自由载流子吸收截面更大。
• 对于连续波照射，显著非线性吸收的起始阈值约为1 MW/cm²，当强度达到5 MW/cm²时，共振几乎完全被抑制。
• 尽管电共振处场局域化更强，但磁共振处吸收更高，这是由于波长依赖的FCA截面在长波长下更大。
• 由于共振处的场集中效应，该超材料中非线性吸收的强度阈值相比相同厚度的均匀InP层降低了约30倍。
• 随着强度增加，有效磁导率和介电常数的共振峰变宽，这与虚部增大和损耗增加一致，符合Kramer-Kronig关系的预测。
• 当假设FCA与波长无关时，两种共振处的吸收几乎相等，凸显了FCA光谱依赖性在导致共振不对称性中的关键作用。