Onderzoekers verbeteren technologie om hoge harmonischen te genereren in niet-lineaire nanogestructureerde metasurfaces

Natuurlijke en kunstmatige kristallen kunnen de spectrale kleur van licht veranderen, wat bekend staat als het niet-lineaire optische effect. Kleurconversie wordt gebruikt voor tal van toepassingen, waaronder niet-lineaire microscopie voor biologische structuren en materiaalonderzoeken, LED-lichtbronnen en lasers in optische communicatie, en in fotonica en de resulterende technologieën zoals quantum computing. Onderzoekers van de universiteit van Paderborn hebben nu een manier gevonden om het fysieke proces dat ten grondslag ligt aan het fenomeen te verbeteren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Licht: wetenschap en toepassingen.

“Het proces is gebaseerd op het anharmonische potentieel van kristalatomen en leidt vaak tot een precieze vermenigvuldiging van de lichtfrequentie, bekend als het genereren van ‘hogere harmonischen’ – vergelijkbaar met de boventonen die worden gehoord wanneer de snaar van een muziekinstrument trilt,” Paderborn natuurkundige Professor Cedrik legt Meier uit.

Hoewel het effect van nature in veel kristallen voorkomt, is het vaak extreem zwak. Daarom zijn er verschillende benaderingen geweest om het effect te vergroten, bijvoorbeeld door verschillende materialen en hun structuren op micro- en nanoschaal te combineren. De universiteit van Paderborn heeft de afgelopen decennia intensief en succesvol onderzoek gedaan op dit gebied.

Een speerpunt van dit onderzoek naar fotonica zijn metamaterialen, en meta-oppervlakken in het bijzonder. Hierbij worden gestructureerde elementen in het nanometerbereik op een dun substraat aangebracht, dat vervolgens interageert met invallend licht en bijvoorbeeld optische resonanties veroorzaakt. Met een langere duur en grotere focus kan het licht efficiënter hogere harmonischen genereren.

Door een interdisciplinaire samenwerking werken de onderzoeksgroepen van professor Cedrik Meier (Nanophotonics & Nanomaterials), professor Thomas Zentgraf (Ultrafast Nanophotonics) en professor Jens Förstner (Theoretical Electrical Engineering) aan de Universiteit van Paderborn samen als onderdeel van het “Tailored Nonlinear Photonics” Collaborative Research Centrum/Transregio 142 om een ​​innovatieve aanpak te ontwikkelen om hogere harmonischen efficiënter te genereren. Door gebruik te maken van specifiek geproportioneerde toepassingen van microscopisch kleine elliptische cilinders gemaakt van silicium, kunnen ze profiteren van het Fano-effect – een bepaald fysiek mechanisme waarbij meerdere resonanties elkaar versterken.

De onderzoekers gebruikten aanvankelijk digitale simulatie om de ideale geometrische parameters te bepalen en onderzochten de onderliggende fysica. Vervolgens creëerden ze nanostructuren met behulp van de modernste lithografieprocessen en voerden ze optische onderzoeken uit. Ze waren in staat om door zowel theorie als experimenten te bewijzen dat dit het mogelijk maakt derde harmonischen – dat wil zeggen licht met een drievoudige frequentie van het invallende licht – veel efficiënter te genereren dan met eerder bekende structuren.