Метаматериал обеспечивает «гигантскую нелинейность» для лазерных технологий

Нелинейные оптические материалы широко используются в современных лазерных системах. Однако, для получения сильных нелинейных эффектов требуются высокая интенсивность света, и луч в таком материале должен пройти достаточно большой путь.

Итогом совместного проекта, в котором приняли участие исследователи из Техасского университета в г. Остин и Мюнхенского технического университета (Германия), стало создание метаматериалов с нелинейным оптическим откликом многократно больше, чем у традиционных аналогов.

Изготовленное методом молекулярно-лучевой эпитаксии нелинейное зеркало толщиной всего 400 нм (в 100 раз меньше, чем человеческий волос) отражает (с удвоением частоты) падающий на него свет, не более яркий чем у у лазерной указки. С учетом интенсивности входного сигнала и структурной толщины зеркала, это означает, что новый метаматериал превосходит по интенсивности отклика лучшие традиционные нелинейные материалы примерно в миллион раз.

Кроме того, поскольку преобразование частоты происходит на субволновых дистанциях, для нового метаматериала неактуальна проблема согласования фазовых скоростей входящей и исходящей волн, усложняющая эксперименты с крупными нелинейными кристаллами.

Как описывается в журнале Nature, структуру метаматериала образуют примерно сотня слоев индия, галлия и мышьяка толщиной от одного до 12 нм со слоем золота снизу и рисунком из перекрещивающихся асимметричных золотых элементов (плазмонная метаповерхность) сверху.

Изменяя толщину слоев и геометрию золотых наноструктур на поверхности, метаматериал можно оптимизировать для работы с различными частотными диапазонами, от инфракрасного до терагерцевого, причем «гигантский» отклик можно получать для разных нелинейных процессов, таких как генерация второй гармоники, суммы или разности частот, а также четырехволновое смешивание.

«Эта работа открывает новую парадигму в нелинейной оптике, используя уникальную комбинацию экзотических волновых взаимодействий в метаматериалах и квантовых технологий в полупроводниках», — заявил профессор Андре Алу (Andrea Alù), руководитель проекта со стороны Техасского университета.

С практической точки зрения такие компоненты могут быть использованы, например, для генерирования и регистрации терагерцевого излучения в устройствах безопасной для здоровья пациентов медицинской визуализации.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365