-- ||文献阅读|| --
Nonlinear Diffraction in Asymmetric Dielectric Metasurfaces
Jonathan Bar-David and Uriel Levy* Department of Applied Physics, The Benin School of Engineering and Computer Science, The Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, 91904 Israel
Nano Lett. 2019, 19, 1044−1051
-- ||导读|| --
2015年2月16日，Nadav Segal等人在NATURE PHOTONICS上发表了一篇关于使用SRRs（开口谐振环）为基本单元排布的超表面产生非线性效应的论文，将非线性效应引入超表面的应用之中，最近，Jonathan Bar-David等人使用非对称C1类的L型结构实现了超表面的非线性效应，对基频和二次谐波的圆偏振光有不同的相位调制效果。
-- ||背景介绍|| --
超表面提供了一种新颖的有广阔前景的使用纳米结构来调控光的方法。虽然大多数超表面设计为在线性领域下工作，但最近表明，这种超表面也可以通过操纵高阶磁化率项从而产生非线性信号。因此，超表面可以产生额外的谐波而不需要光传播，这通常发生在非线性晶体中。使用纳米结构增加了表面与体积之比并且能够产生二次谐波。另外，利用超原子在主谐波和二次谐波频率中的频谱共振来提供电磁场增强，这有助于增强二次谐波信号的产生。
-- ||创新与结论|| --
在这项工作中，制造了一个a-Si（非晶硅）超表面，目的是观察二次谐波的产生并检测一半主波长的光。与之前对a-Si中的SHG（二次谐波的产生）的研究相反，在这里，超原子中和周围的模态场分布在产生SH辐射中起作用，能够探索选择规则在建立SHG中的重要性。设计的超表面除了能够演示SHG之外，还表明几何相位的概念对于谐波生成以及其他非线性特性都是有效的，并且所获得的非线性几何相位与线性相位不同。在这种情况下，验证了C1对称性的理论预测，这种预测并不出现在自然界中，只能通过人造结构如超表面和超材料来实现。
-- ||图文一览|| --
图一 几何相位示意图和a-Si（非晶硅）超表面
（a） 线性领域的几何相位和C1对称性结构中的非线性几何相位
（b） a-Si（非晶硅）超表面SEM
（c） 基本单元示意图
小结：线性与非线性领域下的几何相位有区别，非线性效应中的相位与谐波次数和对称性有关，超表面的基本单元尺寸如上图。
图二 传输频谱和基本结构中的场分布
（a）描绘了模拟的单个原子散射截面，其声波散射共振超过800 nm，以及模拟的元原子阵列传输和匹配光谱测量。
（b）（c）显示有限差分时域（FDTD）模拟计算在我们的meta原子中波长为860和430的电场演变。
小结：图2A为样品的透射光谱，显示在设计和制造的结构之间存在大约50nm的线形偏移，这归因于制造的样品中的尺寸和形状变化。 尽管如此，测量的透射率对于长于800nm的波长显示出强烈的散射。基于此结果，可估计最大散射效率约为λ≅840nm。Bc表明C1对称性结构中存在明显的非线性效应。
图三 SHG验证实验示意图和SHG数据分析
（a） 实验装置的示意图。 通过短脉冲激光照射样品，该激光弱聚焦以形成直径约100μm的焦斑。光由100×物镜收集，由k空间镜头成像，然后过滤主波长，并通过旋转偏振器和四分之一波片来测量斯托克斯参数。衍射图案由sCMOS相机记录。
（b） SHG从我们的表面获得作为照明强度的函数。观察到检测到的SHG信号与照明功率的平方非常吻合。
小结：本装置并没有把基频和二次谐波分开，有着相同的衍射角，只是在最后滤掉了基频，通过探测偏振态来验证非线性效应下的几何相位规律。
图四 衍射光栅超表面的二次谐波衍射现象
（a） 光栅的SEM，对基频没有相位变化，二次谐波有两种相位变化
（b） 二次谐波的衍射图谱
小结：线性领域中，基频不会发生衍射，但二次谐波会产生正负两个衍射级，与衍射角公式对应。
图五 闪耀光栅的非线性效应分析
（a） 闪耀光栅的SEM
（b） 基频的衍射谱
（c） 二次谐波的衍射谱
（d） 二次谐波的斯托克斯参数
小结：闪耀光栅同样可以使基频发生衍射，左右旋光会往相反的方向偏转。二次谐波同样遵循这一规律，但由于波长变为一半，所以角度也会减小一半，另外，在闪耀光栅中会产生更多的衍射级次，角度为基频的四分之一的倍数。同时分析了二次谐波的斯托克斯参数，第一和第三衍射级之间的符号反转是自旋维持和自旋变化SHG过程的不同阶段的坚实的证据。
-- ||点评|| --
本文将超表面和非线性效应结合起来，从超表面的纳米结构入手对二次谐波进行调控，并且验证了几何相位在非线性领域中的规律，通过设计不同的衍射光栅，对基频和二次谐波进行了分析，工作与之前SRRs的设计不同，为以后设计非线性超表面提供了设计原理与思路。
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04342
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04342
报告人：冯兴 时间：2019.3.19
