Brillouin-Zonen-Faltung-induzierte magnetische toroidale Dipol-Metaschichten für abstimmbare Mittel-Infrarot-Hochumwandlung

Resonante Metasurfaces mit hoher Qualitätsfaktor (Q-Faktor) ermöglichen eine effiziente Mittel-Infrarot-(MIR)-Hochumwandlung, jedoch beschränken ihre engen Betriebsbandbreiten praktische Anwendungen in der breitbandigen Detektion und Bildgebung erheblich. Obwohl hoch-Q magnetische toroidale Dipol-(MTD)-Moden in der linearen Optik eine hervorragende Stabilität im Impulsraum (k-Raum) zeigen, war ihre Anwendung in nichtlinearen Prozessen hauptsächlich auf entartete Zweitharmonische (SHG) beschränkt, während komplexe nicht-entartete Prozesse wie Summenfrequenzerzeugung (SFG) weitgehend unerforscht blieben. Hier schlagen wir eine abstimmbare MIR-Hochumwandlungsplattform vor, die auf einer vollständig dielektrischen Galliumphosphid-(GaP)-Dimer-Metaschicht basiert. Das Aufbrechen der Ebenensymmetrie zur Auslösung der Brillouin-Zonen-Faltung regt robuste MTD-Quasi-geführte Modi (MTD-QGM) an, die die lokal verstärkten optischen Felder innerhalb der hochnichtlinearen GaP-Nanostruktur eng begrenzen. Die Synchronisation dieser hoch-Q-Resonanz mit einem räumlich überlappenden Pumpmodus führt zu einer außerordentlichen SFG-Umwandlungseffizienz von 7,9×10−4, wobei ein 3101,8 nm MIR-Signal erfolgreich in das 903 nm nahe-infrarote Band übersetzt wird. Entscheidend ist, dass die intrinsische k-Raum-Stabilität des MTD-QGM eine kontinuierliche, breitbandige Hochumwandlung durch einfache Winkelanpassung ermöglicht. Dieser Mechanismus überwindet effektiv die schmalbandigen Einschränkungen typischer symmetrieschützender Resonatoren und etabliert ein robustes Paradigma für die MIR-Detektion bei Raumtemperatur.