 Исследовательская группа реализовала одно из давних теоретических предсказаний в нелинейных оптических метаматериалах: создание нелинейного материала, который имеет противоположные показатели преломления на основных и гармонических частотах света. Такой материал, не существующий в естественном виде, был предсказан почти за десятилетие.
Наблюдение «обратного фазового сопряжения», явления, также известного как «нелинейное зеркало» - стало доказательством создания этого нового типа метаматериала. Хотя само по себе открытие может иметь только несколько непосредственных практических приложений, реализация материала, который был предсказан теоретиками, является вехой, которая может привести к новым областям исследования, и побудить к переоценке основных правил, регулирующих нелинейную оптику.
«Нелинейная оптика является критически важной областью в управлении светом для обработки информации, зондирования и создания сигналов», сказал Вэньшань Цай, возглавляющий исследовательскую группу. «Наши усилия существенно расширяют сферу нелинейных взаимодействий света с веществом в искусственно структурированной среде с разработанными нетрадиционными линейными и высоко упорядоченными материальными параметрами».
Искусственные метаматериалы имеют уникальные свойства, не доступные в натуральных материалах. Это особенно полезно в нелинейной оптике, где материалы с нетрадиционными свойствами могут сделать разницу в активном управлении светом. Исследователи нескольких учреждений уже создали оптические метаматериалов, которые могут быть использованы для создания более эффективных солнечных батарей, быстрых компьютерных чипов и улучшенных датчиков.
«Линейные реакции метаматериалов существенно увеличивают линейные свойства, имеющиеся в природных материалах», отметил Цай. «Таким же образом, исследование нелинейных метаматериалов может иметь революционное воздействие на область нелинейной оптики. Нетрадиционные электромагнитные параметры, ставшие возможными благодаря метаматериалам, заставят нас переосмыслить и переоценить многие из установленных правил нелинейной оптики.
Метаматериалы получают свои свойства от повторяющейся структуры блоков, а не базовых материалов. В диапазоне частот между видимым и инфракрасным светом, субволновые металлические конструкции могут служить в качестве строительных блоков (по сути «мета-атомов») для создания оптические материалов со свойствами, которые не были доступны в прошлом.
В ходе экспериментов исследователи пытались создать материал с негативным индексом, с размером образца, достаточно большим для тестирования. Они должны были адаптировать преломления как на основных, так и гармонических частотах одновременно.
Исследовательская группа смогла продемонстрировать обратный синхронизм, используя два различных режима в нелинейном плазмонном волноводе, построенном с тонкой диэлектрической прокладкой с высокими показателями преломления, зажатой между двумя плоскими пленками серебра. Большая диэлектрическая постоянная в зазоре обеспечивает выраженное отделение частот поверхностного плазмона и объемных плазмонов, в то время как узкая щель отделяет рабочую точку от частоты поверхностных плазмонов и помогает сбалансировать величины показателей преломления двух режимов.
Волновод работает с реальной частью режима преломления 3,4 и -3,4 для фундаментальных и гармонических волн, соответственно. Наблюдаемая максимальная эффективность преобразования на длине волны возбуждения составляет приблизительно 780 нм, что указывает на выполнение условий фазового синхронизма, в котором когерентная гармоническая волна возникает в направлении, противоположном направлении входящего фундаментального света.
Исследовательская группа сделала полный набор измерений, экспериментально подтверждающих явление обратного синхронизма в волноводе.
«Мы предложили схему, которая позволила нам экспериментально добиться обратного фазового сопряжения реалистичным способом», пояснил Цай. «Экспериментальная демонстрация обратного синхронизма в отрицательных метаматериалах считалась чрезвычайно сложной, поэтому потребовалось почти десять лет, чтобы реализовать ее.
Согласование фазы является стандартным методом для достижения эффективной частоты с помощью нелинейной оптики, как правило, достигнутой путем тонкой настройки ориентации или температуры нелинейного кристалла. В второй генерации гармоники, нелинейного процесса, чтобы удвоить частоту света, синхронизм требует идентичного преломления для начальной (фундаментальной) и удвоенной (гармонической) частоты. Таким образом, фундаментальный свет будет постепенно превращаться в гармоничный вдоль направления распространения, а выход гармоники света будут совместно распространяться в том же направлении.
«Кроме обратного фазового сопряжения, есть много других интригующих явлений в нелинейных метаматериалов, ожидающих исследования», сказал Цай. «Способность проектировать искусственные нелинейные материалы открывает совершенно новые перспективы для нелинейных взаимодействий света с веществом».
|
