Fano-resonance-based mode-matching hybrid metasurface for enhanced second-harmonic generation

Z HI L I , W ENWEI L IU , Z HANCHENG L I , H UA C HENG , S HUQI C HEN ,* AND J IANGUO T IAN

-- ||导读|| --

2017年8月8日，南开大学Z HI L I等人在Optics Letters上发表了一篇基于法诺共振和模式匹配的复合超表面的论文，该复合超表面可以提高二次谐波的增强系数。

-- ||背景介绍|| --

由于非线性材料的光学响应较弱，需要较长的有效材料相互作用长度或强场强。克服这一问题的一种策略是采用等离子体纳米结构，它可以在远超衍射极限的纳米级体积中定位电磁场，同时还允许控制入射光的特性，纳米结构尺寸明显小于其波长。本文提出的混合纳米结构，其等离子体部分用于增强电场，另一种材料用于高效产生二次谐波。其中的等离子体部分设计非常灵活，因为这里纳米结构不需要满足相位匹配条件来产生二次谐波，而通过满足模式匹配来提高非线性转化效率；另外，Fano共振等离子体系统的散射光谱中的低谷抑制了辐射损失并增强了近场电场，使得Fano共振有效地促进非线性转换。

-- ||创新与结论|| --

本文的复合超表面，它将模式匹配与Fano共振相结合，SHG受益于双共振纳米结构，在基波和二次谐波波长处具有空间模式重叠; 同时，通过在SHG波长处设计Fano共振金纳米天线作为有效的接收光学系统，从而提供合适的场增强并满足SHG转换的SHG发射条件。 此外，具有位于纳米天线间隙处的非中心对称单元图案的多晶硫化锌（ZnS）纳米颗粒充当甚至更强的SHG转换器。设计的超表面在泵浦峰值强度为3.2GW·cm^-2时转换效率在10^-8数量级。另外，将双共振超表面的SHG响应与仅在基波波长处的共振进行比较，从而证明在SHG波长处使用Fano共振有效地增强了SHG转换。本文所提出的超曲面可以为非线性光学中Fano共振和模式匹配的应用铺平道路。

-- ||图文一览|| --

图一 复合超表面示意图。

小结：为了实现更强，更高阶的Fano共振，采用双盘环（DDR）纳米结构，已经证明可以抑制四极共振，同时增强八极Fano共振，基底是硅，采用金为纳米结构材料，在两个圆柱之间外切硫化锌的圆柱，高度统一，该结构可变参数有圆环内外径，金圆柱半径，圆柱和圆环之间的间隙和DDR的高度。

图二 仿真结果分析

（a）散射混合表面的横截面（红线）和ZnS纳米颗粒中心的近场增强（蓝线）。

（b）和（c）相对于在750nm和1500nm波长下的超表面的主共振的电荷分布。

（d）和（e）ZnS纳米颗粒在750nm和1500nm波长下的近场增强。

小结：图a表示该纳米天线的Fano共振实现了基频和二次谐波空间上的重叠，但是复合超表面的Fano共振表现出相对于Fano倾角的轻微红移，并且它更靠近散射光谱的Fano峰，表明八极Fano共振有助于SHG波长发射和强场增强。图b环上有六个节点，对应于使用对称双盘增强的八极Fano共振。 图c环上的电荷分布仅表现出代表偶极共振的两个节点，验证了基波和SHG波长的共振特性。图d和e为ZnS纳米颗粒在750nm和1500nm波长下的模拟场增强（200和1000）。

图三 ZnS纳米颗粒对二次谐波增强因子的影响

（a） 由SHG增强因子τ定义的SHG响应谱（蓝线）的对数图。 红色虚线表示具有相同处理的泵浦光

（b） SHG光谱的放大视图以750nm为中心。 插图显示了复合超表面的基本单元

（c） SHG光谱的放大视图以750nm为中心。 插图显示了分离的DDR和ZnS。

小结：这些结果证实SHG的主要贡献来自ZnS纳米颗粒。

图四 复合超表面的偏振特性

（a） 在不同偏振入射光激发下，来自复合超表面的归一化SHG发射强度（蓝色球体）和拟合函数cosθ²（红线）。

（b） 混合超表面生成的SHG信号的偏振的极坐标图。

小结：入射电场沿DDR圆心共轴线方向偏振时，二次谐波最强，旋转90度后最弱，说明该非线性效应与偏振相关。

图五 更换DDR结构的仿真分析

（a） 偶极杂化超表面的基本单元示意图。

（b） 偶极杂化超表面的散射截面（红线）和ZnS纳米颗粒中心的近场增强（蓝线）。

（c） 在1500nm波长下ZnS纳米颗粒的近场增强（1000）。

（d） 基于Fano共振的复合超表面和偶极子复合超表面的SHG增强因子放大图。

小结：更换结构之后，没有满足模式匹配条件，750nm处没有共振峰，改变金棒的长度之后，发现蓝线发现了蓝移。C说明ZnS纳米颗粒的近场增强并没有随外部结构的改变而改变。D说明DDR结构相比偶极杂化结构有更好的二次谐波增强效果。

-- ||点评|| --

 结合了模式匹配和Fano共振效应提高了非线性的增强因子，提出了一种复合的结构，虽然只是做了仿真，没有实验，但是通过控制变量，一个一个的分析了其中材料和模式匹配共振对非线性产生的贡献，该结构还具有偏振敏感性，为以后的仿真提供了一个可选结构。

https://doi.org/10.1364/OL.42.003117

报告人：冯兴  时间：2019.4.16