Amélioration de la génération de deuxième harmonique avec la monocouche TMD

Fig. 1. Schéma de principe du schéma à double BIC pour amplifier SHG avec une monocouche WS2 au-dessus de la dalle de réseau photonique. Crédit :Compuscript Ltd

Deux photons peuvent être fusionnés pour générer un photon avec une fréquence doublée dans des matériaux optiques non linéaires. Ce processus est connu sous le nom de génération de deuxième harmonique (SHG), qui a été découvert pour la première fois dans les années 1960, immédiatement après l'invention du laser. Depuis lors, le développement de SHG a conduit à de nombreuses applications dans les technologies de pointe, telles que les sources de lumière sur puce, l'imagerie, la détection et les communications. Par exemple, les dispositifs d'imagerie basés sur SHG, qui capturent la lumière proche infrarouge (NIR) et émettent de la lumière dans la plage visible, sont au cœur du développement de nouvelles technologies d'imagerie NIR tout optique, telles que la vision nocturne.

Alors que de nombreuses applications en optique non linéaire ont été démontrées via des matériaux massifs traditionnels, les matériaux 2D émergents récemment offrent des opportunités sans précédent dans le domaine de l'optique non linéaire. Par exemple, lorsque les cristaux de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont amincis pour former une monocouche, ils présentent une bande interdite directe, une forte luminescence, des excitons stables à température ambiante et une forte non-linéarité du second ordre. Ces propriétés optiques uniques font des monocouches de TMD une plate-forme attrayante pour explorer de nouveaux effets optiques linéaires et non linéaires et leurs applications connexes. Cependant, en raison de la longueur d'interaction à l'échelle atomique avec la lumière, une seule monocouche de TMD émet un signal SHG extrêmement faible, ce qui entrave considérablement le développement de métadispositifs non linéaires pratiques basés sur des matériaux 2D.

Ces dernières années, les nanorésonateurs diélectriques à indice de réfraction élevé sont devenus une plate-forme prometteuse pour améliorer le SHG. De plus, il a été démontré que la faible efficacité SHG des matériaux 2D peut être résolue en augmentant la force du champ lumineux dans ces résonateurs diélectriques. Ils présentent des pertes optiques négligeables aux longueurs d'onde visibles et NIR par rapport à leurs homologues plasmoniques. Parmi les diverses caractéristiques des nanorésonateurs diélectriques, leur capacité à présenter un fort confinement du champ lumineux, appelé état lié dans le continuum (BIC), a été introduite comme une caractéristique unique dans les nanorésonateurs diélectriques. La fréquence propre de BIC, située dans le spectre du continuum, est apparue comme une approche prometteuse pour améliorer la SHG dans les matériaux 2D.

Fig. 2. Coefficient de chevauchement spatial et efficacité SHG avec un WS2 homogène (a-b) et un WS2 à motifs (c-d) au-dessus de la dalle de réseau photonique, respectivement. (a) et (c) :le coefficient de chevauchement spatial dépendant de Kx. (b) et (d) :l'efficacité SHG dépendante de Kx surveillée respectivement du côté réfléchi (en haut) et transmis (en bas). L'étoile bleue en (b) et (d) est un point de référence pour montrer l'efficacité du SHG avec une monocouche WS2 libre et celle avec WS2 homogène au-dessus du réseau, respectivement. L'onde fondamentale est incidente depuis le côté supérieur du réseau, et l'intensité est fixée à 0,1 GW/cm² . Crédit :Compuscript Ltd

Récemment, une équipe internationale impliquant l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine et l'Université de Nottingham Trent a proposé un schéma à double BIC avec les ondes fondamentales et de deuxième harmonique en résonance simultanément pour augmenter l'efficacité de conversion du SHG à partir de la monocouche TMD. Comme le montre la figure 1, la paire de BIC sont des modes de cavité dans une dalle de réseau GaP soigneusement conçue. En transférant la monocouche TMD sur la dalle BIC, le signal SHG de la monocouche TMD peut être largement amplifié en raison du processus de résonance à double BIC. En d'autres termes, le champ électrique de la lumière fondamentale peut être considérablement amélioré en excitant le premier BIC, et pendant ce temps, l'excitation du second BIC à la longueur d'onde harmonique augmentera encore l'émission non linéaire.

Le principal défi de cette étude était l'appariement de mode spatial au sein de la monocouche TMD entre l'onde fondamentale résonnante BIC et la deuxième onde harmonique. Les chercheurs ont montré qu'une légère inclinaison de l'angle d'incidence de l'onde fondamentale peut grandement améliorer l'adaptation du mode spatial au sein de la monocouche TMD, donnant lieu à une amélioration de quatre ordres de grandeur de l'efficacité SHG, par rapport à celle d'une seule monocouche TMD [voir Figues. 2(a)–(b)]. De plus, en explorant la nature 2D de la monocouche TMD, les chercheurs ont démontré que la structuration de la monocouche TMD peut optimiser l'adaptation des modes spatiaux. Cela stimulera davantage le processus SHG de la monocouche TMD et amplifiera le signal SHG jusqu'à sept ordres de grandeur, comme le montrent les Fig. 2(c)–(d).

Ces résultats, publiés dans Opto-Electronic Advances , offrent de nouvelles possibilités pour améliorer SHG dans des applications pratiques avec des monocouches TMD, démontrant de nouvelles opportunités pour l'optique non linéaire avec des matériaux 2D atomiques minces, y compris un nouveau type de sources lumineuses, une technologie de vision nocturne tout optique basée sur la conversion de fréquence. + Explorer plus loin