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May 12, 2023

非線形ナノ構造メタ表面で高調波を生成する技術を改良する研究者

18 maggio 2023 Questo articolo

2023 年 5 月 18 日

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パーダーボルン大学による

天然および人工の結晶は光のスペクトル色を変えることができ、これは非線形光学効果として知られています。 色変換は、生物学的構造および材料検査のための非線形顕微鏡検査、光通信における LED 光源およびレーザー、フォトニクスおよびその結果としての量子コンピューティングなどのテクノロジーなど、数多くの用途に使用されています。 パーダーボルン大学の研究者たちは、この現象の根底にある物理的プロセスを改善する方法を発見しました。 結果は『Light: Science & Applications』誌に掲載されました。

「このプロセスは結晶原子の非調和ポテンシャルに基づいており、多くの場合、楽器の弦が振動するときに聞こえる倍音に似た、『高調波』の生成として知られる光の周波数の正確な増倍を促します」とパーダーボルンの物理学者セドリック教授は言う。マイヤー氏が説明する。

この効果は多くのクリスタルで自然に発生しますが、多くの場合、非常に弱いです。 そこで、異なる材料やその構造をミクロ、ナノスケールで組み合わせて効果を高めるなど、さまざまなアプローチが行われてきました。 パーダーボルン大学は、ここ数十年間、この分野で集中的な研究を実施し、成功を収めてきました。

フォトニクスに関するこの研究の焦点の 1 つは、メタマテリアル、特にメタ表面です。 これには、構造化要素が薄い基板にナノメートル範囲で適用され、入射光と相互作用して、たとえば光共振が発生することが含まれます。 持続時間が長くなり、焦点が大きくなると、光はより効率的に高調波を生成できます。

パーダーボルン大学のCedrik Meier教授（ナノフォトニクスおよびナノマテリアル）、Thomas Zentgraf教授（超高速ナノフォトニクス）、Jens Förstner教授（理論電気工学）が運営する研究グループは、「カスタマイズされた非線形フォトニクス」共同研究の一環として協力し、学際的な共同研究を行っています。 Center/Transregio 142 は、高調波をより効率的に生成するための革新的なアプローチを開発します。 シリコン製の顕微鏡的に小さな楕円柱を特別にバランスよく使用することで、ファノ効果（複数の共鳴が互いに強め合う特定の物理メカニズム）を利用できます。

研究者らは当初、デジタルシミュレーションを使用して理想的な幾何学的パラメーターを決定し、基礎となる物理学を調査しました。 次に、最先端のリソグラフィープロセスを使用してナノ構造を作成し、光学検査を実施しました。 彼らは、理論と実験の両方を通じて、これにより第 3 高調波、つまり入射光の 3 倍の周波数を持つ光を、以前の既知の構造よりもはるかに効率的に生成できることを証明することができました。

詳しくは： David Hähnel 他、シリコン メタサーフェスにおける第 3 高調波生成を強化するためのマルチモード スーパーファノ メカニズム、Light: Science & Applications (2023)。 DOI: 10.1038/s41377-023-01134-1

雑誌情報:光: 科学と応用

パーダーボルン大学提供