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Oct 22, 2023

Des chercheurs améliorent la technologie pour générer des harmoniques élevées dans les métasurfaces nanostructurées non linéaires

18 mai 2023 Cet article

18 mai 2023

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par l'Université de Paderborn

Les cristaux naturels et artificiels peuvent modifier la couleur spectrale de la lumière, connue sous le nom d'effet optique non linéaire. La conversion des couleurs est utilisée pour de nombreuses applications, y compris la microscopie non linéaire pour les structures biologiques et les examens de matériaux, les sources de lumière LED et les lasers dans les communications optiques, et dans la photonique et ses technologies résultantes telles que l'informatique quantique. Des chercheurs de l'Université de Paderborn ont maintenant trouvé un moyen d'améliorer le processus physique sous-jacent au phénomène. Les résultats ont été publiés dans la revue Light: Science & Applications.

"Le processus est basé sur le potentiel anharmonique des atomes de cristal et provoque souvent une multiplication précise de la fréquence de la lumière, connue sous le nom de génération d'"harmoniques supérieures" - similaires aux harmoniques entendues lorsque la corde d'un instrument de musique vibre", a déclaré le professeur Cedrik, physicien de Paderborn. Meier explique.

Bien que l'effet se produise naturellement dans de nombreux cristaux, il est souvent extrêmement faible. Compte tenu de cela, il y a eu diverses approches pour augmenter l'effet, par exemple en combinant différents matériaux et leurs structures à l'échelle micro et nano. L'Université de Paderborn a mené des recherches intensives et fructueuses dans ce domaine au cours des dernières décennies.

Un point central de ces recherches en photonique est les métamatériaux, et en particulier les métasurfaces. Cela implique que des éléments structurés soient appliqués dans la gamme du nanomètre sur un substrat mince, qui interagit ensuite avec la lumière entrante et produit par exemple des résonances optiques. Avec une durée plus longue et une plus grande focalisation, la lumière peut générer plus efficacement des harmoniques plus élevées.

Une collaboration interdisciplinaire voit les groupes de recherche dirigés par le professeur Cedrik Meier (nanophotonique et nanomatériaux), le professeur Thomas Zentgraf (nanophotonique ultrarapide) et le professeur Jens Förstner (génie électrique théorique) de l'Université de Paderborn travaillant ensemble dans le cadre de la recherche collaborative "Tailored Nonlinear Photonics". Center/Transregio 142 pour développer une approche innovante pour générer plus efficacement des harmoniques plus élevées. En utilisant des applications spécifiquement proportionnées de cylindres elliptiques microscopiques en silicium, ils peuvent tirer parti de l'effet Fano, un mécanisme physique particulier où plusieurs résonances s'intensifient mutuellement.

Les chercheurs ont d'abord utilisé la simulation numérique pour déterminer les paramètres géométriques idéaux et ont étudié la physique sous-jacente. Ils ont ensuite créé des nanostructures à l'aide de procédés de lithographie de pointe et effectué des examens optiques. Ils ont pu prouver à la fois par la théorie et par l'expérimentation que cela permet aux troisièmes harmoniques, c'est-à-dire à la lumière avec une fréquence triple de la lumière entrante, d'être générées beaucoup plus efficacement qu'avec les structures connues antérieures.

Plus d'information: David Hähnel et al, Un mécanisme super-fano multimode pour une génération améliorée de troisième harmonique dans les métasurfaces de silicium, Light: Science & Applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-023-01134-1

Informations sur la revue :Lumière : science et applications

Fourni par l'Université de Paderborn