Uno degli obiettivi principali dell'ottica è il controllo della propagazione e del confinamento della luce. I progressi nell'ottica storicamente sono iniziati con lo sviluppo di lenti e specchi ingombranti, quindi prismi e reticoli e così via. Il miglioramento di questi dispositivi è diminuito con l'avvicinarsi del limite di diffrazione. La nanofotonica mira a manipolare le onde elettromagnetiche su scala sub-lunghezza d'onda per andare oltre questo limite. La recente evoluzione delle tecnologie di fabbricazione, degli strumenti numerici e dei modelli teorici ha aperto la strada a nuovi dispositivi con prestazioni senza precedenti.

Le metasuperfici ottiche sono array di antenne ottiche, con dimensioni e separazione della lunghezza d'onda inferiore. Rappresentano un concetto originale di ottica piatta senza analoghi classici. Consentono la massima miniaturizzazione dei componenti ottici, nonché l'abilitazione di nuove funzionalità fino ad oggi non possibili. Negli ultimi due decenni, le proprietà ottiche delle metasuperfici sono state studiate intensamente in regime lineare, con nanostrutture dielettriche metalliche o amorfe.

Recentemente, l'ottica piatta non lineare ha guadagnato crescente attenzione, con effetti di conversione di frequenza osservati prima nei punti caldi associati a risonanze plasmoniche localizzate in nanoantenne metalliche e poi in associazione a risonanze multipolari di tipo Mie in nanostrutture dielettriche. In questa transizione verso la nanoscala, il ruolo dell'abbinamento di fase è stato sostituito da quello delle risonanze di campo vicino che si verificano in nanostrutture aperte non hermitiane.

Nel nuovo campo delle metasuperfici non lineari, per il quale è stato proposto il nome di meta-ottica non lineare, le implementazioni dielettriche hanno fornito le più elevate efficienze di generazione non lineare:prima con generazione di terza armonica in piattaforme amorfe o silicio su isolante, e poi con seconda generazione armonica e down-conversione parametrica spontanea in materiali non centrosimmetrici come semiconduttori III-V e niobato di litio. Più recentemente, la comunità scientifica si è interessata anche alla modellatura del fronte d'onda dei campi armonici, che vanno da semplici meta-reticoli e meta-lenti alla generazione non lineare di meta-ologrammi complessi e fasci speciali.

Gli autori di questo articolo esaminano i recenti progressi nell'ottica non lineare con metasuperfici dielettriche, concentrandosi sull'effetto paradigmatico della generazione della seconda armonica. Discutono delle piattaforme tecnologiche più utilizzate che sono alla base di tali progressi e analizzano diversi approcci di controllo. Il loro lavoro inizia con un'introduzione sul tema della generazione non lineare in risonatori "Mie" sub-lunghezza d'onda, evidenziando le principali figure di merito per un'elevata efficienza nei sistemi non hermitiani. Quindi, passano in rassegna i principali approcci adottati negli ultimi anni per controllare o aumentare la generazione di armoniche nelle metasuperfici. Infine confrontano le loro prestazioni con altre tecnologie consolidate, illustrando lo stato dell'arte attuale e individuando alcuni scenari in cui questi dispositivi potrebbero presto offrire opportunità senza precedenti. Nella loro conclusione, emergono due possibili prospettive per il dominio in rapida espansione delle metasuperfici dielettriche non lineari.

Da un lato, il ricorso a nanoantenne accoppiate e risonanze collettive sembra la strategia più saggia per massimizzare la generazione non lineare. Tuttavia, anche le metasuperfici che esibiscono i maggiori fattori di qualità sono ordini di grandezza meno efficienti rispetto alle altre piattaforme. Questo risultato deriva dal fatto che fino ad oggi la maggior parte degli studi che hanno adottato questo approccio, si sono concentrati sulla creazione di una singola risonanza ad alto Q attorno a FF. Invece, ci si deve aspettare che tale divario con le altre tecnologie possa essere colmato con un'attenta progettazione che fornisce un buon equilibrio tra accoppiamento dello spazio libero e fattori di qualità modale, implementando una condizione doppiamente risonante e ottimizzando l'integrale di sovrapposizione non lineare.

D'altra parte, le antenne a basso Q rappresentano un vero cambiamento di paradigma rispetto sia alle strutture guidate che ai cristalli fotonici. La loro efficienza di generazione non lineare attualmente inferiore è ampiamente controbilanciata da possibilità intriganti che vanno dalla sintonizzabilità dinamica dell'emissione di metaatomi individuali, alla modellatura dell'impulso, ai dispositivi parametrici a banda larga, all'imaging non lineare, alla modellatura del fronte d'onda e alla meta-olografia. Il loro rapido sviluppo è attualmente sostenuto da un progresso in corso nella nanofabbricazione, nuovi promettenti materiali non lineari come i TMDC e metodi sia analitici che numerici per modellare la generazione non lineare in cavità che perdono. Il miglioramento di tali strumenti matematici sembra particolarmente importante per la progettazione non intuitiva e l'ottimizzazione di nanorisonatori altamente multimodali.

Sulla base degli impressionanti risultati di questo nuovo ramo dell'ottica non lineare, è ragionevole aspettarsi che una nuova classe di meta-dispositivi fotonici non lineari sorga nei prossimi anni, per la commutazione ad alta velocità, sorgenti di fotoni entangled, generazione di supercontinuum e imaging non lineare. + Esplora ulteriormente

Potenziamento della generazione di seconda armonica con TMD monostrato