-- ||文献阅读|| --
Nonlinear Holographic All-Dielectric Metasurfaces
Yisheng Gao, † Yubin Fan, † Yujie Wang, † Wenhong Yang, † Qinghai Song,* ,†,‡ and Shumin Xiao* ,†,‡† State Key Laboratory on Tunable Laser Technology, Ministry of Industry and Information Technology Key Lab of Micro-Nano Optoelectronic Information System, Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China‡ Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
-- ||导读|| --
2018年11月27日，Yisheng Gao等人在Nano Letters上发表了一篇关于利用超表面的非线性效应来全息成像的论文，将非线性效应引入超表面的应用之中。
-- ||背景介绍|| --
metasurface是一种超薄二维超材料，最近在光学界引起了极大的研究关注。 通过在空间上改变结构几何形状或旋转纳米天线，超表面能够为全波前控制提供所需的相位不连续性。因此，可以精确地调整透射和反射光的振幅，相位和偏振态，如今已有利用纳米结构实现了几种新颖的光学元件，例如，反射镜，涡旋光产生器，衍射光栅，平面透镜等。基于超表面的全息成像就是一个突出的例子。非线性全息超表面由于其在实际应用中的潜力而被深入研究。到目前为止，非线性全息超表面仅通过等离子体纳米天线实现，具有高吸收损耗和低损伤阈值的缺点。
-- ||创新与结论|| --
与传统研究相比，全电介质超表面由C形Si纳米天线组成，使入射激光通过其基频共振得到增强，而产生的三次谐波（THG）信号通过高阶共振重新分布到空气间隙区域，显着降低了短波长处的吸收损耗，并将增强倍数提高到了230。 在基本单元中引入从0到2π的相变后，首次用Si基超表面实验得了高效的青色和蓝色THG全息图。
-- ||图文一览|| --
图一 基于C形Si纳米天线的超曲面的光学特性。
（a） C形Si纳米天线示意图
（b） 计算得到DE 可见光（蓝线）和红外（黑线）中Si基超表面的透射光谱
（c） Y偏振入射，分别在ω和3ω处的电共振（上）和磁共振（下）场模式分布
小结：C型圆环结构高度，内外环半径和开口夹角都是可变参量，该结构与开口谐振环有相同反对称性，因此可以用于产生高次谐波，从计算的透射谱可以看到，三次谐波处于该结构的透射峰附近，所以可以有较明显的三次谐波产生。
图二 实验记录来自C形Si纳米天线的超表面的THG信号
（a）超表面SEM。
（b）实验得到DE 可见光（蓝线）和红外（黑线）中Si基超表面的透射光谱。
（c）THG的增强倍数随波长的分布。
（d）泵浦光和THG输出光的关系曲线。
小结：实验和计算的透过率谱比较吻合，并且实验中产生的三次谐波有很明显的现象，肉眼可见，放大倍数比前人的工作都要高，三次谐波的光强三次方与泵浦光强成线性关系，与理论公式相符。
图三 相控非线性纳米天线的设计
（a） 改变内环半径和开口张角，其他参数不变，扫描的到的透过率分布图。
（b） 扫描得到的相位分布图。
（c） （d）所选结构的相位个透过率分布
小结：基频的相位覆盖2pi，三次谐波的相位覆盖为2/3pi，上一篇文献中的二次谐波也有相位减半的规律。
图四 设计的非线性全息成像
（a） 全息成像示意图
（b） 超表面的相位分布
（c） 仿真的全息图像
小结：由于基频和三次谐波的相位梯度不一样，所以可以将基频和三次谐波分开，HIT的图样会偏离光轴中心。
图五 非线性超表面全息成像实验
（a） 非线性超表面SEM
（b） 实验测得的透射谱
（c） 实验全息成像图
（d） THG效率随波长的分布曲线
小结：透射谱和理论基本一致，实验也看到了两个波长的成像图样，说明1200和1460附近的基频光激发了三次谐波，效率曲线也可以反映以上结论。
-- ||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三次谐波进行调控。此文对我有一下启发，对于特定的非对称结构，可以先研究其共振特性来确定非线性效应设计中的基频和要设计的谐波级次，使其有较高的激发效率，因为一般的非线性效应都是很微弱的，在仿真中也是这样的。
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04311
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04311
报告人：冯兴 时间：2019.3.26
