[论文解读] Optical anapole mode in nanostructured lithium niobate for enhancing second harmonic generation

Yang Li, Zhijin Huang+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2020

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一句话总结

本文提出了一种具有工程化偶极子模式的纳米结构铌酸锂（LiNbO3）平台，通过利用具有介电常数接近零（ENZ）特性的高折射率对比超材料衬底，实现了二次谐波生成（SHG）的增强。通过限制光场并抑制远场散射，该设计在11 GW/cm²泵浦功率下实现了282 nm波长处高达0.01%的SHG转换效率，可在宽范围泵浦波长下实现可调谐SHG。

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.

研究动机与目标

• 为了提升铌酸锂中二次谐波生成（SHG）的效率，应用于量子光源和非线性显微成像。
• 通过利用光学偶极子模式，克服传统SHG材料中非线性转换效率低下的挑战。
• 设计一种具有介电常数接近零（ENZ）特性的可调谐超材料衬底，以实现强场限制和散射抑制。
• 通过d33非线性系数演示实验上可实现的LiNbO3纳米盘结构中的SHG效率。

提出的方法

• 通过设计具有介电常数接近零（ENZ）特性的多层超材料衬底，以在LiNbO3纳米盘中激发偶极子模式。
• 利用LiNbO3与衬底之间高的折射率对比，实现强场局域化并抑制远场辐射。
• 设计多层结构，以在宽范围泵浦波长下调节偶极子激发波长。
• 利用X切铌酸锂中占主导地位的d33非线性系数，以最大化二次谐波生成效率。
• 通过模拟和优化纳米结构几何形状，以最大化内部场强并最小化辐射损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 LiNbO3纳米盘结构中的偶极子模式是否能显著增强二次谐波生成效率？
• RQ2 介电常数接近零（ENZ）的超材料衬底如何实现不同泵浦波长下的可调谐偶极子激发？
• RQ3 偶极子模式中的场限制在多大程度上减少了辐射损耗并提升了非线性转换效率？
• RQ4 在高泵浦强度下，该纳米结构铌酸锂平台的最大可实现SHG转换效率是多少？
• RQ5 该设计是否可推广以实现宽范围输入波长下的高效SHG？

主要发现

• 所提出的纳米结构在11 GW/cm²泵浦功率下，于282 nm波长处实现了高达0.01%的二次谐波生成（SHG）转换效率。
• 偶极子模式有效抑制了远场散射，同时将光场限制在LiNbO3纳米盘内部，增强了光与物质的相互作用。
• 采用具有介电常数接近零（ENZ）特性的超材料衬底，实现了在宽范围泵浦波长下可调谐的偶极子激发。
• 该设计充分利用了X切铌酸锂中占主导地位的d33非线性系数，以最大化SHG效率。
• 理论分析证实，LiNbO3与衬底之间的高折射率对比对于实现强偶极子模式激发和场局域化至关重要。
• 多层超材料结构可精确调控偶极子共振波长，使其适用于多种泵浦频率。