[论文解读] Resonant Asymmetric All-Dielectric Metasurface for Boosting Third-Harmonic Generation

Chaobiao Zhou, Shiyu Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 52被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种由具有面内对称性破缺的硅纳米柱组成的谐振非对称全介质超表面，以激发尖锐的Fano共振，实现强场增强和高效的三倍频生成（THG）。场增强源于对称性保护的连续体中束缚态，实验验证表明，由于强烈的局域光学场，THG效率显著提升。

ABSTRACT

Resonant metasurfaces have received extensive attention due to their sharp spectral feature and extraordinary field enhancement. In this work, by breaking the in-plane symmetry of silicon nanopillars, we achieve a sharp Fano resonance. The far-field radiation and near-field distribution of metasurfaces are calculated and analyzed to further uncover the resonant performance of metasurfaces. Moreover, the theoretical derivation and simulation exhibit an inverse quadratic dependence of Q-factors on asymmetry parameters, revealing that the resonance is governed by the symmetry-protected bound states in the continuum. Finally we experimentally demonstrate the sharp resonance, and employ it to effciently boost the third-harmonic generation. This enhancement can be attributed to the strong optical intensity enhancement inside the metasurface.

研究动机与目标

• 通过对称性破缺设计全介质超表面，以增强非线性光学响应。
• 通过在硅纳米柱中破坏面内对称性，实现尖锐的Fano共振。
• 通过实验演示利用谐振超表面实现增强的三倍频生成（THG）。
• 通过理论和仿真分析揭示尖锐共振的物理起源。
• 建立不对称性参数与Q因子缩放之间的定量关系。

提出的方法

• 通过控制横向位移，将硅纳米柱排列成周期性阵列，以破坏面内反演对称性，从而设计超表面。
• 由于宽广的准导模与窄带共振模之间的干涉，激发Fano共振，产生尖锐的光谱特征。
• 理论分析表明，Q因子与不对称性参数呈反平方关系，表明存在对称性保护的连续体中束缚态（BIC）。
• 通过模拟近场和远场分布，分析光学场增强和辐射图案。
• 通过数值模拟和实验测量三倍频生成，以验证增强效应。
• 理论建模证实，尖锐共振和高Q因子直接导致非线性响应的增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅纳米柱中破坏面内对称性如何影响全介质超表面的光谱响应？
• RQ2 在非对称超表面中观察到的尖锐Fano共振的起源是什么？
• RQ3 Q因子在多大程度上随系统中不对称程度的增加而变化？
• RQ4 连续体中对称性保护的束缚态是否可以解释观察到的共振增强？
• RQ5 与对称结构相比，该谐振超表面在多大程度上能有效增强三倍频生成？

主要发现

• 非对称超表面表现出高Q因子的尖锐Fano共振，仿真与实验结果一致确认。
• 观察到Q因子与不对称性参数之间存在定量的反平方关系，支持连续体中对称性保护束缚态的存在。
• 近场模拟显示光学场增强强烈局域在纳米柱内部，与共振行为直接相关。
• 理论与数值结果证实，尖锐共振是三倍频生成效率增强的直接原因。
• 实验结果表明三倍频生成实现可测量的增强，验证了所提出的结构设计原理。
• 该超表面在不使用贵金属材料的情况下实现显著的非线性增强，同时保持低损耗和高效率。