上海光機(jī)所在基于強(qiáng)太赫茲與超表面的硅基非線性光學(xué)研究上取得進(jìn)展

近日，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在硅基非線性光學(xué)研究方面取得了進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種復(fù)合超表面與強(qiáng)太赫茲（THz）場(chǎng)結(jié)合的新方法，以打破硅的中心對(duì)稱性并增強(qiáng)二次諧波的產(chǎn)生（SHG, second harmonic generation）和三次諧波的產(chǎn)生（THG, third harmonic generation）。相關(guān)成果以“Second harmonic generation and third harmonic enhancement in silicon by composite metasurface and intense terahertz”為題發(fā)表在Optics Express上。

硅的光學(xué)非線性特性對(duì)硅光子學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要，而中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)使得硅缺乏二階非線性效應(yīng)。這一缺陷能夠通過(guò)施加應(yīng)變、瞬態(tài)強(qiáng)電場(chǎng)等方式克服。其中，團(tuán)隊(duì)前期在物態(tài)調(diào)控方面的研究表明，基于強(qiáng)場(chǎng)太赫茲的調(diào)控方式具有超快、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)。然而，太赫茲高場(chǎng)強(qiáng)的要求以及非線性轉(zhuǎn)換效率的低下限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了如圖1所示的一種復(fù)合超表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由鏤空蝶形金屬超表面和圖案化的非晶硅超表面組成。鏤空蝶形金屬超表面能夠顯著增強(qiáng)太赫茲場(chǎng)，非晶硅的結(jié)構(gòu)參數(shù)則選定為能夠形成超法諾共振。當(dāng)同時(shí)施加強(qiáng)太赫茲與基頻光時(shí)，太赫茲被進(jìn)一步增強(qiáng)并打破了硅材料的中心對(duì)稱性，從而允許二次諧波的生成。同時(shí)，非晶硅中基頻光的強(qiáng)共振進(jìn)一步提升了SHG和THG的轉(zhuǎn)換效率。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)入射強(qiáng)度為1.20 GW/cm²的基頻光和10 kV/cm的y極化太赫茲波時(shí)，SHG和THG的轉(zhuǎn)換效率分別為3.93×10^-7和7.18×10^-7。與未圖案化的硅相比，THG的轉(zhuǎn)換效率提高了約700倍。由于鏤空蝶形金屬超表面對(duì)太赫茲的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，SHG的轉(zhuǎn)換效率提高了1.47×10⁴倍。圖2（a）為SHG（紅色實(shí)線）和THG（藍(lán)色虛線）轉(zhuǎn)換效率隨基頻光強(qiáng)度E0的變化曲線。圖2（b）為二次諧波功率（藍(lán)色實(shí)線）和效率（紅色虛線）隨入射太赫茲電場(chǎng)Ei-THz的變化曲線。該工作為構(gòu)建微型化、多功能和低功耗的非線性器件提供了新的思路。

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圖1. 復(fù)合超表面示意圖：（a）俯視圖；（b）局部放大圖；（c）側(cè)視圖。（d）復(fù)合超表面增強(qiáng)硅SHG和THG示意圖。

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圖2. （a）SHG（紅色實(shí)線）和THG（藍(lán)色虛線）轉(zhuǎn)換效率隨基頻光強(qiáng)度E0的變化曲線。（b）二次諧波功率（藍(lán)色實(shí)線）和效率（紅色虛線）隨入射太赫茲電場(chǎng)Ei-THz的變化曲線

相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)杰出青年基金及基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

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