硅超構(gòu)表面上強(qiáng)烈增強(qiáng)的三次諧波*

楊玖龍 元晴晨 陳潤(rùn)豐 方漢林 肖發(fā)俊 李俊韜 姜碧強(qiáng)? 趙建林 甘雪濤?

1) (西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,超常條件材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

2) (中山大學(xué)物理學(xué)院,光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275)

利用超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)硅介質(zhì)內(nèi)局域電磁場(chǎng)的極大增強(qiáng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈增強(qiáng)的三次諧波激發(fā)(THG).該超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)由L形的單晶硅共振子組成,通過(guò)調(diào)節(jié)抽運(yùn)波長(zhǎng)與超構(gòu)表面共振波長(zhǎng)重合,可以實(shí)現(xiàn)最高220倍的THG增強(qiáng),THG的轉(zhuǎn)化效率提升至～ 3 × 10－7.數(shù)值模擬和THG信號(hào)的空間掃描結(jié)果表明,場(chǎng)增強(qiáng)主要源于超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)中心區(qū)域處的共振模式耦合效應(yīng).此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的共振模式具有明顯的偏振選擇性,且THG信號(hào)同樣為線偏振光,消光比為15 dB.

1 引 言

硅基光子學(xué)的快速發(fā)展極大地促進(jìn)了各種硅基光子器件的研制與發(fā)展[1?3],同時(shí)也將硅介質(zhì)在光電子學(xué)方面的應(yīng)用研究逐漸拓展到非線性光學(xué)領(lǐng)域[4?6].硅在紅外波段具有較低的線性損耗、高的折射率(n≈ 3.48)以及較大的三階非線性極化系數(shù)(χ(3)≈ 2.79 × 10－18m2·V－2,n2(Si)≈ 2.7 ×10－18m2·W－1)[7],且其加工工藝符合CMOS流程,因此可以作為一種理想的紅外波段三階非線性光學(xué)材料.然而,目前基于硅介質(zhì)所實(shí)現(xiàn)的非線性效應(yīng)普遍具有效率低的缺點(diǎn),限制了硅基非線性光學(xué)器件的實(shí)際應(yīng)用.近年來(lái),已經(jīng)報(bào)道了多種硅基微納光子結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)其非線性效應(yīng),如硅納米線波導(dǎo)[8,9]、光子晶體微腔等[10?12].這些工作為基于硅基光子芯片的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理提供了可行的解決方案.

本文提出利用單晶硅制備具有法諾共振效應(yīng)的超構(gòu)表面(metasurface)結(jié)構(gòu)[13],利用其共振模場(chǎng)的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效率的三次諧波激發(fā)(THG),如圖1(a)所示.近年來(lái),基于高折射率納米結(jié)構(gòu)中共振效應(yīng)的超構(gòu)表面已被證明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波傳輸以及光與物質(zhì)相互作用過(guò)程的有效調(diào)控[14?18].相較基于貴金屬的超構(gòu)表面,硅基超構(gòu)表面具有在可見(jiàn)光波段吸收損耗低且可有效避免熱效應(yīng)[19?21]等優(yōu)點(diǎn).已有多種基于硅基超構(gòu)表面的線性光學(xué)器件被報(bào)道,如寬帶超構(gòu)表面透鏡[22,23]、偏振無(wú)關(guān)的光束波前調(diào)制器[24]等.若在硅基超構(gòu)表面中實(shí)現(xiàn)高效率的三階非線性效應(yīng),對(duì)進(jìn)一步拓展這些光學(xué)器件的非線性功能至關(guān)重要.本文通過(guò)設(shè)計(jì)與制備一種由L形米氏共振單元所組成的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了硅介質(zhì)THG信號(hào)的220倍增強(qiáng),其轉(zhuǎn)換效率提升至3 × 10－7.

2 樣品制備及實(shí)驗(yàn)測(cè)量

選用厚度為500 μm的藍(lán)寶石作為襯底(折射率n≈ 1.762),在襯底上生長(zhǎng)一層600 nm厚的單晶硅薄膜.在單晶硅薄膜表面均勻旋涂一層電子束曝光膠,隨后利用電子束直寫(xiě)的多點(diǎn)曝光技術(shù)在電子束曝光膠上定義超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)圖形.顯影定影后,利用電子束曝光膠作為掩膜,通過(guò)感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕工藝在硅薄膜上刻蝕出超構(gòu)表面結(jié)構(gòu).

該超構(gòu)表面的單個(gè)共振單元具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu),使其面內(nèi)的“亮模式”電偶極共振與面外的“暗模式”磁偶極共振發(fā)生模式耦合,形成法諾共振.且在陣列情況下,單個(gè)共振單元共振模式的輻射衰減由共振單元間疊加的局域場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償形成高Q的法諾共振和電磁場(chǎng)增強(qiáng)[13].為實(shí)現(xiàn)最大的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),選用的結(jié)構(gòu)為由16 × 15陣列排布的共振單元構(gòu)成,如圖1(b)所示.圖1(c)給出了每個(gè)共振單元的具體結(jié)構(gòu)參數(shù).

圖1(d)給出了測(cè)量硅基超構(gòu)表面THG的實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng),其中物鏡1 (50 × Mitutoyo Plan Apo NIR,NA=0.42)用于聚焦抽運(yùn)光并收集反射信號(hào),物鏡2 (20 × Mitutoyo Plan Apo NIR,NA=0.4)用于收集透射以及THG信號(hào).抽運(yùn)光及THG信號(hào)光的偏振方向分別通過(guò)起偏器P1和半波片以及檢偏器P2進(jìn)行控制和檢測(cè).

圖1 (a)硅基超構(gòu)表面中的三次諧波激發(fā);(b)結(jié)構(gòu)正面的掃描電子顯微鏡圖像;(c)共振單元的尺寸示意圖;(d)光路系統(tǒng)示意圖Fig.1.(a) Schematic of THG from the silica?based metasurface;(b) a top?view scan electron microscope image of the metasuface;(c) the schematic diagram of the L?shaped resonators;(d) illustration of experimental set?up.

實(shí)驗(yàn)中,為測(cè)量所制備器件的法諾共振光譜,使用波長(zhǎng)范圍在1530－1560 nm可調(diào)諧窄帶連續(xù)激光器作為抽運(yùn)光源,系統(tǒng)的反射以及透射信號(hào)利用近紅外光電探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄.為觀察和有效測(cè)量所制備器件激發(fā)的THG信號(hào),將抽運(yùn)光源更換為可調(diào)諧皮秒脈沖光纖激光器,其波長(zhǎng)范圍為1540－1560 nm,脈沖寬度為8.8 ps,重復(fù)頻率為18.5 MHz.硅超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)內(nèi)激發(fā)的THG信號(hào)穿過(guò)藍(lán)寶石基底,被物鏡2收集并經(jīng)二向色鏡濾波后輸入到光電倍增管(PMT)或光柵光譜儀中,以測(cè)量其功率或波長(zhǎng)信息.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)米氏共振理論,當(dāng)入射電磁波在亞波長(zhǎng)尺度的光學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生電磁共振時(shí),從共振中心散射的電磁波會(huì)沿特定方向出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象[25].因此,在對(duì)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征中,往往根據(jù)透射和反射信號(hào)出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象判斷超構(gòu)表面內(nèi)是否發(fā)生共振效應(yīng)以及確定共振中心波長(zhǎng).如圖1(d)所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試光路,選用沿y方向偏振的線偏振連續(xù)激光作為入射光,在1530－1560 nm范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行波長(zhǎng)掃描,且掃描過(guò)程中入射光功率始終維持在0.2 mW.同時(shí),分別利用兩個(gè)紅外光探測(cè)器實(shí)時(shí)記錄不同波長(zhǎng)入射光的透射以及反射信號(hào)強(qiáng)度.測(cè)量到的透射和反射譜如圖2(a)所示.

在1548 nm波長(zhǎng)處,透射譜和反射譜分別出現(xiàn)極大值和極小值的情況,意味著前向散射光在該點(diǎn)出現(xiàn)增強(qiáng).由此可以確定當(dāng)抽運(yùn)波長(zhǎng)為1548 nm時(shí),可在共振單元內(nèi)部激發(fā)共振效應(yīng),共振峰半峰值寬度(FWHM) Δλ約為5.5 nm.另外,由于米氏共振單元具有L形,可保證其橫向電偶極子和縱向磁偶極子的米氏共振模式發(fā)生重疊,使得共振單元間通過(guò)模式耦合形成法諾共振.因此,所獲得共振線型呈現(xiàn)非對(duì)稱的法諾線型,且相較單個(gè)L形共振單元,品質(zhì)因子得到提高[13].

圖2 (a)超構(gòu)表面在1530?1560 nm范圍內(nèi)的反射和透射光譜(T,透射譜;R,反射譜);(b)抽運(yùn)波長(zhǎng)與共振波長(zhǎng)(1548 nm)重合時(shí)產(chǎn)生的THG信號(hào)峰;(c) THG信號(hào)相對(duì)于抽運(yùn)光的功率依賴性;(d) THG強(qiáng)度分布的空間掃描;(e)不同抽運(yùn)波長(zhǎng)下THG信號(hào)的光譜演化,插圖為對(duì)譜線進(jìn)行歸一化后的結(jié)果;(f)對(duì)(e)中所有THG信號(hào)譜線進(jìn)行能量積分的結(jié)果Fig.2.(a) Reflection and transmission spectra of the metasurface in the wavelength range of 1530?1560 nm (T,transmission spec?trum;R,reflection spectrum);(b) THG signal peak when the pump wavelength coincides with the resonant wavelength at 1548 nm;(c) power dependence of THG intensity;(d) spatial scanning of THG intensity distribution;(e) spectra of THG signals pumped with different wavelengths,and the inset shows the result of normalizing each line;(f) integral results for all THG spectra shown in panel (e).

為了研究該共振效應(yīng)對(duì)硅介質(zhì)內(nèi)三階非線性效應(yīng)的增強(qiáng)作用,實(shí)驗(yàn)上采用脈沖激光激發(fā)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的THG信號(hào).首先將激光器輸出波長(zhǎng)固定在位于共振波長(zhǎng)中心的1548 nm,產(chǎn)生了如圖2(b)所示中心波長(zhǎng)約為516 nm的THG信號(hào).保持抽運(yùn)波長(zhǎng)恒定,連續(xù)調(diào)節(jié)激光器的輸出功率,得到如圖2(c)所示的THG信號(hào)強(qiáng)度隨抽運(yùn)光功率的響應(yīng)趨勢(shì),圖中紅色曲線為三次方擬合函數(shù)曲線,可以看出THG信號(hào)功率與抽運(yùn)光功率間存在明顯的三次方依賴關(guān)系.當(dāng)形成二維陣列時(shí),在單個(gè)共振單元法諾共振以及單元間局域場(chǎng)疊加補(bǔ)償?shù)墓餐饔孟?陣列中心區(qū)域結(jié)構(gòu)單元支持明確的法諾共振模式且電磁場(chǎng)增強(qiáng)顯著.逐漸靠近陣列邊緣時(shí),結(jié)構(gòu)單元支持的共振模式存在較大輻射損耗,使得電磁場(chǎng)增強(qiáng)較弱[13].因此,由超構(gòu)表面增強(qiáng)的三次諧波將呈現(xiàn)與超構(gòu)表面共振模式分布相同的中間強(qiáng)、邊緣弱的空間分布特性,如圖2(d)所示.為了進(jìn)一步提高THG的增強(qiáng)效果,一方面,可以通過(guò)改變共振單元的非對(duì)稱系數(shù)改進(jìn)共振單元模場(chǎng)的輻射衰減,或者通過(guò)設(shè)計(jì)共振單元陣列的周期來(lái)擴(kuò)大共振單元間模場(chǎng)的有效疊加區(qū)域等以增強(qiáng)超構(gòu)表面在激發(fā)光波長(zhǎng)處的電磁場(chǎng)分布.另一方面,可以構(gòu)建在抽運(yùn)激光和THG波長(zhǎng)處均具有共振特性的超構(gòu)表面,通過(guò)雙共振模式進(jìn)一步提高THG的增強(qiáng)效果.

保持抽運(yùn)光功率不變,通過(guò)測(cè)量THG信號(hào)強(qiáng)度隨抽運(yùn)波長(zhǎng)的依賴性,進(jìn)一步明確超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)內(nèi)所發(fā)生的共振效應(yīng)對(duì)硅介質(zhì)中所產(chǎn)生THG的增強(qiáng)效果.圖2(e)給出了當(dāng)抽運(yùn)波長(zhǎng)從1540 nm逐漸移動(dòng)到1560 nm的過(guò)程中,所激發(fā)的THG光譜,測(cè)量過(guò)程中,所有入射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)激光功率均恒定為5 mW,經(jīng)透鏡聚焦后的光斑直徑約為3 μm.由圖2(e)光譜圖可以看出,隨著抽運(yùn)波長(zhǎng)的改變,THG信號(hào)在中心波長(zhǎng)位置發(fā)生移動(dòng)的同時(shí),其強(qiáng)度表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的現(xiàn)象.為了更為直觀地說(shuō)明這種強(qiáng)度變化,對(duì)圖2(e)中的每條THG譜線分別進(jìn)行能量積分,結(jié)果如圖2(f)所示.可以清楚地看到,當(dāng)抽運(yùn)波長(zhǎng)位于共振中心位置(1548 nm)時(shí),超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)中的共振模式被激發(fā),并通過(guò)其強(qiáng)烈局域的模場(chǎng)對(duì)硅中的THG過(guò)程進(jìn)行增強(qiáng),因此實(shí)現(xiàn)了最大的THG信號(hào)強(qiáng)度.隨著抽運(yùn)波長(zhǎng)逐漸偏離共振波長(zhǎng)中心,入射激光與共振模式不發(fā)生耦合,僅在單次通過(guò)硅超構(gòu)表面過(guò)程中對(duì)THG進(jìn)行激發(fā),因此所產(chǎn)生的THG信號(hào)逐漸減弱并穩(wěn)定到很低的強(qiáng)度.因此,通過(guò)對(duì)比波長(zhǎng)位于1548 nm與遠(yuǎn)離1548 nm的抽運(yùn)激光在相同功率下所激發(fā)的THG信號(hào),可以提取出超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的共振模式對(duì)THG的增強(qiáng)效果.計(jì)算得到的增強(qiáng)因子約為220.這種提取增強(qiáng)因子的方法,由于保持抽運(yùn)激光聚焦在超構(gòu)表面相同位置處,可以避免由于有效硅材料不同而引起的誤差.該結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面內(nèi)發(fā)生法諾共振效應(yīng)時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)部的局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度獲得了顯著增強(qiáng),且利用這種增強(qiáng)效應(yīng)可以有效提高硅介質(zhì)內(nèi)所激發(fā)的THG信號(hào)強(qiáng)度.

為了闡釋和驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)參數(shù)利用有限元數(shù)值模擬軟件(COMSOL)計(jì)算該結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)局域電磁場(chǎng)的分布特性,數(shù)值模擬模型為位于500 μm厚藍(lán)寶石襯底上單晶硅(n=3.48)的16 × 15共振單元陣列,且x,y和z方向均使用完美匹配層.在入射端口設(shè)置沿y方向偏振的1530－1560 nm的寬譜平面偏振激發(fā)光.在波長(zhǎng)掃描后,由所采用的COMSOL軟件中的S參數(shù)得到超構(gòu)表面的透射和反射譜線.圖3(a)左側(cè)展示了16 × 15陣列超構(gòu)表面的模場(chǎng)分布,表明共振模場(chǎng)的分布主要集中在超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域.圖3(a)右側(cè)為對(duì)單個(gè)共振單元的電磁場(chǎng)分布的模擬結(jié)果,呈現(xiàn)出橫向的電場(chǎng)分量(右上)以渦旋態(tài)的形式圍繞在中心部位,而縱向的磁場(chǎng)分量(右下)則集中在電場(chǎng)分量的中央.這種強(qiáng)烈局域的電磁場(chǎng)模式與硅結(jié)構(gòu)的重合可有效保證三階非線性的增強(qiáng).

考慮到由L形結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性引起的各向異性,通過(guò)數(shù)值模擬的方式分析了樣品透射光譜對(duì)入射光偏振方向以及透射信號(hào)偏振方向的依賴關(guān)系.數(shù)值計(jì)算了Txx(入射光具有x方向偏振,透射信號(hào)沿x方向檢偏,余下同理),Txy,Tyx,Tyy四種透射譜線,結(jié)果如圖3(b)所示.數(shù)值模擬結(jié)果表明,入射光的偏振方向沿x或y方向,均可在結(jié)構(gòu)內(nèi)激發(fā)出共振模式,但對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)相較約有4 nm的偏移.此外,無(wú)論是入射光的偏振沿x方向還是y方向,在結(jié)構(gòu)中激發(fā)的共振模式所輻射出的透射信號(hào)能量在y方向偏振分量均更強(qiáng).對(duì)比四組傳輸譜線,可以看出Tyy具有最大的傳輸率,因此實(shí)驗(yàn)上采用y方向偏振的入射光激發(fā)超構(gòu)表面的共振模式,如圖2(a)所示.進(jìn)一步模擬計(jì)算了不同波長(zhǎng)情況下超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)內(nèi)的局域電場(chǎng)分布,并分別計(jì)算該結(jié)構(gòu)在y偏振入射情況下共振波長(zhǎng)處反射和透射信號(hào)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射強(qiáng)度(無(wú)檢偏情況下),結(jié)果如圖3(c)所示.數(shù)值模擬所獲得共振線型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,均為非對(duì)稱的法諾線型,且具有接近的共振線寬.在此基礎(chǔ)上,根據(jù)模擬得到的局域電場(chǎng)分布(Ex,Ey,Ez),結(jié)合硅材料的三階非線性極化系數(shù)可以獲得超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)中激發(fā)的三階非線性極化強(qiáng)度

圖3 (a)左圖為超構(gòu)表面電場(chǎng)在x?y平面內(nèi)分布情況的數(shù)值模擬,右圖為單共振單元橫向的電場(chǎng)分量(右上)和縱向的磁場(chǎng)分量(右下);(b)樣品各向異性透射譜的數(shù)值模擬;(c)透射、反射信號(hào)以及THG信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.3.(a) Numerical simulation of the distribution of electric field of the metasurface in the x?y plane;(b) numerical simulation of the anisotropic transmission spectra of the sample;(c) numerical simulation of reflection (R),transmission (T) spectra and intens?ity of THG signals.

其中,ε0為真空中的電介質(zhì)常數(shù),i代表坐標(biāo)方向分別代表單晶硅兩個(gè)非0的三階非線性極化系數(shù),且為由(Ex,Ey,Ez)所決定的電場(chǎng)矢量.根據(jù)偶極子發(fā)射性質(zhì),并非所有極化信號(hào)都能被顯微物鏡收集,往往只有橫向(沿x?y平面)極化對(duì)信號(hào)的收集產(chǎn)生貢獻(xiàn).因此,只考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)的橫向極化的情況下,系統(tǒng)收集到的三階非線性極化響應(yīng)I(3)具有如下形式：

不同激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的THG信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)歸一化處理后由圖3(c)中的黑色曲線所給出.該結(jié)果同樣表現(xiàn)為當(dāng)抽運(yùn)波長(zhǎng)在共振波長(zhǎng)位置時(shí)THG信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大,與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相符.

考慮到共振單元兩臂(分別沿圖1(c)中的x和y方向)具有不同的尺寸,當(dāng)入射光的偏振方向發(fā)生改變時(shí),每個(gè)共振單元可能產(chǎn)生不同的共振響應(yīng).因此,測(cè)量了該超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)對(duì)入射光偏振方向的敏感特性以及所激發(fā)THG信號(hào)的偏振依賴性,結(jié)果如圖4所示.實(shí)驗(yàn)中選擇y方向?yàn)榛鶞?zhǔn)方向,入射光偏振方向相對(duì)于y方向的旋轉(zhuǎn)角度由φ表示,如圖4(a)所示.

實(shí)驗(yàn)測(cè)量中,激光器輸出波長(zhǎng)為1548 nm的抽運(yùn)光經(jīng)過(guò)起偏器和半波片調(diào)制后可形成沿任意方向偏振的線偏振抽運(yùn)光.透射/反射信號(hào)以及THG信號(hào)收集光路均無(wú)檢偏器,即系統(tǒng)的透射/反射光信號(hào)和THG信號(hào)均直接由光電探測(cè)器收集.圖4(b)展示了隨著抽運(yùn)光偏振態(tài)的改變,收集到的透射和反射信號(hào)的強(qiáng)度變化.可以看出,當(dāng)抽運(yùn)光偏振方向與共振單元寬臂(沿y方向)平行時(shí),透射信號(hào)最強(qiáng)且反射信號(hào)最弱,消光比超過(guò)了10 dB;而當(dāng)抽運(yùn)光偏振光偏振方向與窄臂(沿x方向)平行時(shí),反射信號(hào)達(dá)到最強(qiáng),同時(shí)透射信號(hào)降到最低.該結(jié)果表明,當(dāng)抽運(yùn)光沿y方向偏振時(shí)能夠最有效地激發(fā)該超構(gòu)表面的共振效應(yīng),使得入射光向前向散射光的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高[28].同時(shí),隨著抽運(yùn)光偏振方向由x方向至y方向轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,結(jié)構(gòu)內(nèi)的共振效應(yīng)以及局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),并進(jìn)一步表現(xiàn)為THG信號(hào)強(qiáng)度的提高,如圖4(c)所示,THG信號(hào)的消光比約為7 dB.值得注意的是,圖4(b)和圖4(c)中結(jié)果在90°情況下(入射光具有x方向偏振)均未能實(shí)現(xiàn)完全消光.該結(jié)果可以借助圖3(b)中的模擬結(jié)果進(jìn)行解釋.雖然x方向偏振入射光激發(fā)出的共振模式與y方向偏振入射光激發(fā)的共振模式之間存在4 nm的中心波長(zhǎng)差,但波長(zhǎng)為1548 nm的x方向偏振入射光仍然可以激發(fā)出部分共振模式,使得透射信號(hào)和THG信號(hào)在x方向偏振入射光激發(fā)下仍可以測(cè)到.

圖4 (a)方位示意圖;(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)量透射/反射信號(hào)的偏振依賴性;(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)量THG信號(hào)強(qiáng)度對(duì)抽運(yùn)光的偏振依賴性;(d) THG信號(hào)的偏振檢測(cè)Fig.4.(a) Orientation illustrated in the metasurface;(b) experimental measurement of polarization dependence of transmitted and reflected signals;(c) experimental measurement of the polarization dependence of THG signal intensity on pump light;(d) polariza?tion detection of THG signals.

基于以上結(jié)果,將抽運(yùn)光的偏振方向固定在y方向,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)的最強(qiáng)共振激發(fā)效果,進(jìn)而在THG信號(hào)收集光路上添加檢偏器P2并對(duì)THG信號(hào)的偏振方向進(jìn)行檢測(cè).如圖4(f)所示,結(jié)果表明,當(dāng)抽運(yùn)光為沿y方向偏振的線偏振光時(shí),THG信號(hào)光同樣為沿y方向偏振的線偏振光,且其消光比達(dá)到15 dB.這些偏振相關(guān)特性意味著僅需要改變抽運(yùn)光的偏振態(tài)或者共振單元的排列方式,即可有效地控制超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生THG的強(qiáng)度或偏振方向,這將進(jìn)一步為提高硅基超構(gòu)表面的功能性提供新的思路.

4 結(jié) 論

本文主要研究了利用超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)對(duì)硅介質(zhì)內(nèi)三階非線性效應(yīng)的增強(qiáng)特性.理論和實(shí)驗(yàn)均證明了當(dāng)激發(fā)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的共振模式時(shí),局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)極大的增強(qiáng),進(jìn)而促進(jìn)光與物質(zhì)的相互作用.通過(guò)對(duì)硅基超構(gòu)表面上THG的空間掃描并結(jié)合數(shù)值模擬,可確定這種增強(qiáng)效果來(lái)自于單個(gè)共振單元中米氏共振以及多個(gè)共振單元間模式耦合的共同作用.同時(shí),THG對(duì)抽運(yùn)波長(zhǎng)的依賴性測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)抽運(yùn)波長(zhǎng)與超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的共振波長(zhǎng)一致時(shí),THG信號(hào)的強(qiáng)度相比二者偏離時(shí)增強(qiáng)了220倍.此外,通過(guò)改變抽運(yùn)光的偏振或L型共振單元的排列方向,可實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)激發(fā)THG強(qiáng)度和偏振態(tài)的有效控制.因此,這種利用超構(gòu)表面強(qiáng)烈增強(qiáng)硅介質(zhì)中的三階非線性效應(yīng),為開(kāi)發(fā)硅基新型非線性光學(xué)器件提供了新的途徑.