Fig. 1. Diagramma schematico dello schema dual BICs per aumentare SHG con monostrato WS2 sopra la lastra del reticolo fotonico. Credito:Compuscript Ltd
Due fotoni possono essere uniti per generare un fotone con frequenza doppia in materiali ottici non lineari. Questo processo è noto come generazione di seconda armonica (SHG), scoperto per la prima volta negli anni '60, subito dopo l'invenzione del laser. Da allora, lo sviluppo di SHG ha portato a molte applicazioni in tecnologie avanzate, come sorgenti luminose su chip, imaging, rilevamento e comunicazioni. Ad esempio, i dispositivi di imaging basati su SHG, che catturano la luce del vicino infrarosso (NIR) ed emettono luce nel campo del visibile, sono al centro dello sviluppo di nuove tecnologie di imaging NIR completamente ottiche, come la visione notturna.
Mentre molte applicazioni nell'ottica non lineare sono state dimostrate tramite i tradizionali materiali sfusi, i materiali 2D recentemente emergenti offrono opportunità senza precedenti nel campo dell'ottica non lineare. Ad esempio, quando i cristalli di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) vengono assottigliati per essere monostrato, mostrano bandgap diretto, forte luminescenza, eccitoni stabili a temperatura ambiente e forte non linearità del secondo ordine. Queste proprietà ottiche uniche rendono i monostrati di TMD una piattaforma interessante per esplorare nuovi effetti ottici lineari e non lineari e le relative applicazioni. Tuttavia, a causa della lunghezza di interazione su scala atomica con la luce, un unico monostrato di TMD emette un segnale SHG estremamente basso, ostacolando in modo significativo lo sviluppo di pratici metadispositivi non lineari basati su materiali 2D.
Negli ultimi anni, i nanorisonatori dielettrici ad alto indice di rifrazione sono diventati una piattaforma promettente per migliorare SHG. Inoltre, è stato dimostrato che la bassa efficienza SHG dei materiali 2D può essere affrontata ingrandendo la forza del campo luminoso all'interno di tali risonatori dielettrici. Presentano perdite ottiche trascurabili alle lunghezze d'onda visibili e NIR rispetto alle loro controparti plasmoniche. Tra le varie caratteristiche dei nanorisonatori dielettrici, la loro capacità di mostrare un forte confinamento del campo luminoso, il cosiddetto stato legato nel continuum (BIC), è stata introdotta come caratteristica unica nei nanorisonatori dielettrici. L'autofrequenza di BIC, che si trova nello spettro continuo, è emersa come un approccio promettente per migliorare SHG nei materiali 2D.
Fig. 2. Coefficiente di sovrapposizione spaziale ed efficienza SHG rispettivamente con un WS2 omogeneo (a-b) e un WS2 modellato (c-d) sopra la lastra del reticolo fotonico. (a) e (c):il coefficiente di sovrapposizione spaziale dipendente da Kx. (b) e (d):l'efficienza SHG dipendente da Kx monitorata rispettivamente sul lato riflesso (in alto) e trasmesso (in basso). La stella blu in (b) e (d) è un punto di riferimento per mostrare l'efficienza SHG rispettivamente con un monostrato WS2 indipendente e quello con WS2 omogeneo sopra il reticolo. L'onda fondamentale è incidente dal lato superiore del reticolo e l'intensità è impostata su 0,1 GW/cm 2 . Credito:Compuscript Ltd
Recentemente, un team internazionale che coinvolge l'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche della Cina e la Nottingham Trent University ha proposto uno schema BIC duale con le onde fondamentali e della seconda armonica in risonanza simultanea per aumentare l'efficienza di conversione di SHG dal monostrato di TMD. Come mostrato in Fig. 1, la coppia di BIC sono modalità cavità all'interno di una lastra a griglia GaP accuratamente progettata. Trasferendo il monostrato di TMD sulla lastra di BIC, il segnale SHG del monostrato di TMD può essere ampiamente amplificato grazie al processo di risonanza a doppio BIC. In altre parole, il campo elettrico della luce fondamentale può essere notevolmente potenziato eccitando il primo BIC e, nel frattempo, l'eccitazione del secondo BIC alla lunghezza d'onda armonica aumenterà ulteriormente l'emissione non lineare.
La sfida principale in questo studio è stata la corrispondenza della modalità spaziale all'interno del monostrato TMD tra l'onda fondamentale risonante BIC e la seconda armonica. I ricercatori hanno dimostrato che inclinare leggermente l'angolo di incidenza dell'onda fondamentale può migliorare notevolmente la corrispondenza della modalità spaziale all'interno del monostrato di TMD, dando luogo a un miglioramento di quattro ordini di grandezza dell'efficienza SHG, rispetto a quello con un solo monostrato di TMD [vedi Fichi. 2(a)–(b)]. Inoltre, esplorando la natura 2D del monostrato dei TMD, i ricercatori hanno dimostrato che la modellazione del monostrato dei TMD può ottimizzare la corrispondenza della modalità spaziale. Ciò aumenterà ulteriormente il processo SHG del monostrato di TMD e amplificherà il segnale SHG fino a sette ordini di grandezza, come mostrato nelle Figg. 2(c)–(d).
Questi risultati, pubblicati in Opto-Electronic Advances , offrono nuove possibilità per migliorare SHG in applicazioni pratiche con monostrati TMD, dimostrando nuove opportunità per l'ottica non lineare con materiali 2D sottili atomici, incluso un nuovo tipo di sorgenti luminose, tecnologia di visione notturna completamente ottica basata sulla conversione di frequenza. + Esplora ulteriormente
