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《Nano Letters》刊登徐紅星教授團隊進展:表面等離激元波導中的二倍頻產生

來源:MG娱乐官网  發布時間:2017-11-23 15:09:28 點擊次數:

在金屬納米結構中,電磁波與金屬自由電子耦合而形成的表面等離激元(surface plasmon polaritons, SPPs)具有眾多新奇的物理性質,在集成光子器件、生物/化學傳感、精密測量、信息處理和高效能源器件等領域有廣泛的應用前景。表面等離激元參與的非線性光學過程更是對設計微納光子器件具有重要意義,這是因為(i)非線性光學過程是實現全光邏輯運算和光開關器件的基礎;(ii)表面等離激元可以將光場束縛在金屬納米結構附近很小的體積范圍內,產生巨大的電磁場增強,從而顯著地提高光和物質相互作用的強度。然而由于SPPs的色散特性,SPPs 參與的光學非線性過程(例如,兩個SPPs 湮滅產生一個倍頻光子,產生一個倍頻SPPs)會受到相位失配的限制,導致不同位置產生的信號光相干相消,大大降低非線性過程的效率。因此,如何在具有橫向束縛的等離激元體系中避開相位失配的限制,是實現高效率非線性光學芯片的關鍵之一。

最近,武漢大學徐紅星教授課題組利用了金屬銀納米線-單層二維材料復合結構的新構型,巧妙地利用相反方向傳播的SPPs沒有相位失配的特點,首次在一維表面等離激元波導結構中實現了SPPs二倍頻光的定向發射。該工作得到審稿人很高的評價,認為“This is an extremely nice piece of work”。論文以“Transversely Divergent Second Harmonic Generation by Surface Plasmon Polaritons on Single Metallic Nanowires”為題在著名學術刊物《納米快報》(Nano Letters)上發表。論文第一署名單位是武漢大學,共同第一作者是MG娱乐官网博士生李楊和康猛,張順平副教授和徐紅星教授為共同通訊作者。

如圖一所示,入射光耦合到銀納米線一端,激發出SPPs并沿著銀線傳播,當傳播至銀線的另一端時會發生端面反射。反射的SPPs與正向傳播的SPPs會湮滅并產生二倍頻光子。此時非線性極化率相位相同,因此不會出現相位失配。根據動量守恒條件,二倍頻光子會沿垂直于銀納米的方向發射。同時,由于石英襯底的存在,SPPs會局域在銀線和襯底的界面附近。復合結構中的單層二硫化鉬(MoS2)提供了一個薄(0.62 nm)且很強的非線性極化源,而其位置恰好處于SPPs近場強度最大處,從而進一步提高了二倍頻的產生效率。

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圖一 在銀納米線-單層二硫化鉬復合結構中遠程激發光學二倍頻的示意圖,以及倍頻過程中的動量匹配關系。

通過對比實驗和理論計算,研究人員首先確認了倍頻信號不是來自于銀納米線的激發端,而是在銀納米線和單層MoS2的重疊區域產生,并且是由銀線末端反射的SPPs與正向傳播的SPPs干涉后在MoS2上產生,其強度在空間上出現周期性的明-暗變化。進一步的,研究人員通過自行搭建的傅里葉成像顯微鏡,對產生倍頻光的發射方向進行了仔細的研究。他們發現倍頻光子的發射方向始終與納米線軸垂直,但在垂直平面內是發散的,如圖二所示。倍頻場的發射模式會隨著銀納米線和單層MoS2晶向之間的夾角變化作周期性的變化。同時,二倍頻信號沿x軸方向(銀納米線軸向)的發散度可以通過改變重疊區域的大小或SPPs的傳播長度來進行調控。

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圖二 (a)傅里葉成像顯微鏡的原理圖,(b-d)銀納米線和單層二硫化鉬之間不同夾角的倍頻傅里葉圖像,(e-g)對應的計算傅里葉成像圖,(h-g)沿著kx = 0線上的角度分布。

這項研究對突破衍射極限新型的相干光束的產生,以及設計高效非線性納米光學器件具有指導意義。該項研究工作得到科技部973計劃項目、儀器研發專項和國家自然科學基金委的支持。

(論文鏈接:)

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