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徐紅星團隊在非線性混頻過程取得重要進展

來源:  發布時間:2020-10-20 09:32:24 點擊次數:

我院徐紅星課題組利用相向傳播的布洛赫表面波使得單層二硫化鎢的二階非線性轉換效率提高了三個數量級,并實現混頻信號輻射和偏振性質的可控操縱。論文于10月14日以“Efficient Frequency Mixing of Guided Surface Waves by Atomically Thin Nonlinear Crystals”為題發表在《Nano Letters》期刊上。論文第一署名單位是MG娱乐官网,我院博士生郭全兵為第一作者,張順平副教授與徐紅星教授為通訊作者。

    單層過渡金屬硫族化合物具有優異的二階非線性效應,但是在常規的垂直激發下,光與物質的相互作用長度嚴重受限于材料的亞納米厚度,因此其光頻轉換效率相對低下。實驗中常用來提高非線性轉換效率的手段分為兩種,一種是利用金屬微納結構增強激發場或者倍頻場,但該方法存在電場空間局域性強,不適宜大面積制備及應用。另外一種方法是利用光學波導延長電磁波與單層材料的非線性相互作用長度進而提高其轉換效率,但該體系需要精心設計結構參數達到非線性過程中的相位匹配條件。

徐紅星教授課題組結合一維光子晶體與單層二硫化鎢(WS2),利用布洛赫表面波低損耗、電場增強大、橫電場分布的特點,同時提高波導與WS2的時間和空間重疊度,利用相向激發的方式打破常規非線性相位匹配條件的限制(圖a),使得WS2二階非線性轉換效率提高了三個數量級。通過控制兩束激發光的相對延遲,表征了超短激光的脈寬(圖b)。接著利用傅立葉成像技術研究了二倍頻以及和頻信號的空間輻射特征(圖c),證明了非線性頻率轉換過程中的動量守恒。通過改變激發頻率更改布洛赫表面波的波矢差,進而實現和頻信號的定向準直輻射(圖d)。該研究成果為增強光與物質的非線性相互作用提供了新的方案,有助于促進低維半導體材料在集成非線性相干光源方面的應用。


該項研究工作得到國家自然科學基金委、國家重點基礎研究發展計劃和中國科學院先導專項等項目的支持。

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