[论文解读] Phase matched backward-wave second harmonic generation in a hyperbolic carbon nanoforest

A. K. Popov, Igor S. Nefedov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种超材料，其基于碳纳米管森林结构的双曲超材料可在太赫兹和中红外波段实现相位匹配的后向波二次谐波产生（SHG），通过设计特定的负和正色散实现。该方法利用金属基底上的空间色散碳纳米管，使正向传播的普通波与后向波共存并实现相位匹配，从而在脉冲工作状态下实现高达10%的量子非线性反射率，展示了具有前所未有频率转换效率的新型超反射镜。

ABSTRACT

We show that deliberately engineered spatially dispersive metamaterial slab can enable co-existence and phase matching of contra-propagating ordinary fundamental and backward second harmonic electromagnetic modes. Energy flux and phase velocity are contra-directed in backward waves which determines extraordinary nonlinear-optical propagation processes. Frequencies, phase and group velocities, as well as nanowavequide losses inherent to the electromagnetic modes supported by the metamaterial can be tailored to optimize nonlinear-optical conversion of frequencies and propagation directions of the coupled waves. Such a possibility, which is of paramount importance for nonlinear photonics, is proved with numerical model of the hyperbolic metamaterial made of carbon nanotubes standing on metal surface. Extraordinary properties of backward-wave second harmonic in the THz and IR propagating in the reflection direction are investigated with focus on pulsed regime.

研究动机与目标

• 开发一种可支持正向与后向电磁波共存并实现相位匹配的超材料。
• 通过后向波模式中的二次谐波产生（SHG）实现高效的非线性频率转换。
• 通过利用后向波中的定向能量流，克服等离子体超材料中的损耗问题。
• 通过定制色散设计，展示一种尺寸更小、效率更高的频率倍增超反射镜。
• 提供一种非磁性替代方案，取代传统基于负磁导率的负折射率超材料，其依赖于工程化色散而非负磁导率。

提出的方法

• 对由垂直排列碳纳米管构成的双曲超材料进行数值建模。
• 采用简化平面行波模型，其由包含群速度色散和损耗的耦合偏微分方程控制。
• 通过空间色散介电响应工程，实现负色散与正色散分支的共存。
• 在基波与二次谐波波之间满足相位匹配条件时，模拟脉冲SHG过程。
• 分析后向波中能量流与相速度的对比，以确认反向传播特性。
• 研究金属碳纳米管和波导模式引起的损耗机制，及其对基波与谐波波的差异性影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 超材料能否支持普通波与后向电磁波的相位匹配共存？
• RQ2 在损耗性、空间色散的超材料中，能否高效实现后向波二次谐波产生？
• RQ3 脉冲工作状态如何影响后向波SHG中的能量转换效率？
• RQ4 定制色散在实现相位匹配中起到何种作用，且无需依赖负磁导率？
• RQ5 该系统在反射率与方向性方面能否优于传统材料中的常规SHG？

主要发现

• 在基于碳纳米管的双曲超材料中，成功实现了太赫兹与中红外频段的相位匹配后向波二次谐波产生。
• 在最优条件下，量子非线性反射率达到约10%，功率反射率高出两倍。
• 随着超材料层厚度增加，能量转换效率趋于饱和，这是由于二次谐波的后向传播特性，其主要在入射波吸收最少的前部区域生成。
• 该系统在效率随厚度变化时表现出独特的饱和行为，与传统普通材料中最大输出出现在内部的特性形成鲜明对比。
• 损耗在基波与二次谐波之间分布不均，由于二次谐波沿后向传播路径，其有效损耗更低。
• 所提出的方案可实现尺寸更小、效率更高的频率倍增超反射镜，在脉冲工作状态下性能无与伦比。