Resonant verstärkte zweite Harmonische Generation unter Verwendung von III–V Halbleiter-All-Dielektrika-Metasurfaces

Nichtlineare optische Phänomene in nanostrukturierten Materialien haben unsere Wahrnehmungen von nichtlinearen optischen Prozessen herausgefordert, die seit der Erfindung der Laser erforscht werden. Zum Beispiel ermöglicht die Fähigkeit, die optische Feldkonfination, -verstärkung und Streuung fast unabhängig zu steuern, dass die Effizienz der nichtlinearen Frequenzumwandlung um viele Größeneinheiten im Vergleich zu Massivmaterialien erhöht werden kann. Auch die subwellenlängige Länge macht Phasenanpassungsprobleme irrelevant. Im Vergleich zu plasmonischen Nanostrukturen zeigen die dielektrischen Resonator-Metamaterialien großes Potenzial für verbesserte nichtlineare optische Prozesse aufgrund ihrer größeren Modenvolumina. Hier präsentieren wir zum ersten Mal resonant verstärkte zweite Harmonische Generation (SHG) unter Verwendung von auf Galliumarsenid (GaAs) basierenden dielektrischen Metasurfaces. Mit Arrays zylindrischer Resonatoren beobachten wir SHG-Verstärkungsfaktoren von bis zu 10(4) im Vergleich zu unstrukturiertem GaAs. An der magnetischen Dipolresonanz messen wir eine absolute nichtlineare Umwandlungseffizienz von ∼2 × 10(-5) bei ∼3,4 GW/cm(2) Pumpintensität. Die Polarisationseigenschaften der SHG zeigen, dass sowohl bulk- als auch oberflächenbasierte Nichtlinearitäten wichtige Rollen in dem beobachteten nichtlinearen Prozess spielen.