研究人员改进在非线性纳米结构超表面产生高谐波的技术

天然晶体和人造晶体可以改变光的光谱颜色，这被称为非线性光学效应。颜色转换用于多种应用，包括用于生物结构和材料检查的非线性显微镜、光通信中的 LED 光源和激光器，以及光子学及其产生的技术(如量子计算)。帕德博恩大学的研究人员现在已经找到了一种方法来改善这种现象背后的物理过程。研究结果已发表在《光：科学与应用》杂志上。

“这个过程基于晶体原子的非谐波势，并且经常促使光频率的精确倍增，称为产生'高次谐波' - 类似于乐器上的弦振动时听到的泛音，”帕德博恩物理学家Cedrik Meier教授解释说。

虽然这种效应在许多晶体中自然发生，但它通常非常弱。鉴于此，已经有各种方法来增加效果，例如通过在微米和纳米尺度上组合不同的材料及其结构。近几十年来，帕德博恩大学在这一领域进行了深入而成功的研究。

光子学研究的一个焦点是超材料，特别是超表面。这涉及在纳米范围内将结构元件施加到薄基板上，然后与入射光相互作用并产生例如光学共振。随着持续时间的延长和焦点的提高，光可以更有效地产生更高的谐波。

跨学科合作看到由帕德博恩大学的Cedrik Meier教授(纳米光子学和纳米材料)，Thomas Zentgraf教授(超快纳米光子学)和Jens Förstner教授(理论电气工程)组成的研究小组作为“定制非线性光子学”合作研究中心/ Transregio 142的一部分一起工作，以开发一种更有效地产生更高谐波的创新方法。通过使用由硅制成的微型椭圆圆柱体的特定比例应用，它们可以利用Fano效应 - 一种特殊的物理机制，其中多个共振相互增强。

研究人员最初使用数字仿真来确定理想的几何参数，并研究了基础物理。然后，他们使用最先进的光刻工艺创建了纳米结构，并进行了光学检查。他们能够通过理论和实验证明，这使得三次谐波 - 即入射光频率是入射光频率的三倍的光 - 比以前已知的结构更有效地产生。