Tunable unidirectional nonlinear emission from transition-metal-dichalcogenide metasurfaces.
Tunable unidirectional nonlinear emission from transition-metal-dichalcogenide metasurfaces.
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DOI：
10.1038/s41467-021-25717-x
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发表时间：
2021-09-22
影响因子：
16.6
通讯作者：
Neshev DN
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Nauman M;Yan J;de Ceglia D;Rahmani M;Zangeneh Kamali K;De Angelis C;Miroshnichenko AE;Lu Y;Neshev DN
非线性光源是无数应用的核心，推动了对纳米级非线性光源的追求。在这一探索中，非线性超颖表面具有很大的前景，因为它们通过其谐振光子环境和高折射率（例如在高折射率介电超颖表面中）增强非线性效应。然而，尽管介电超颖表面在基波处的子衍射操作，但是对于非线性生成的谐波不满足该条件，由此迄今为止所有非线性超颖表面发射多个衍射光束。在这里，我们展示了增强的单光束的第二和第三谐波产生在晶体过渡金属二硫属化物材料的超颖表面，提供最高的折射率。我们发现，超颖表面的共振之间的相互作用允许在向前或向后的方向上的单向二次谐波辐射的调谐，在任何散装非线性晶体中是不可能的。我们的研究结果为基于超颖表面的非线性光源，包括非线性镜和纠缠光子的产生提供了新的机会。虽然高折射率介电超颖表面由于其非线性效应而具有吸引力，但是将二次和三次谐波产生引导到单个光束中仍然是一个挑战。作者使用具有可调非线性发射方向的过渡金属二硫属化物超颖表面解决了这一问题。
Nonlinear light sources are central to a myriad of applications, driving a quest for their miniaturisation down to the nanoscale. In this quest, nonlinear metasurfaces hold a great promise, as they enhance nonlinear effects through their resonant photonic environment and high refractive index, such as in high-index dielectric metasurfaces. However, despite the sub-diffractive operation of dielectric metasurfaces at the fundamental wave, this condition is not fulfilled for the nonlinearly generated harmonic waves, thereby all nonlinear metasurfaces to date emit multiple diffractive beams. Here, we demonstrate the enhanced single-beam second- and third-harmonic generation in a metasurface of crystalline transition-metal-dichalcogenide material, offering the highest refractive index. We show that the interplay between the resonances of the metasurface allows for tuning of the unidirectional second-harmonic radiation in forward or backward direction, not possible in any bulk nonlinear crystal. Our results open new opportunities for metasurface-based nonlinear light-sources, including nonlinear mirrors and entangled-photon generation. Though high-index dielectric metasurfaces are attractive due to their nonlinear effects, channelling of 2nd and 3rd harmonic generation into a single beam remains a challenge. The authors addressed this using transition-metal-dichalcogenide metasurfaces with tunable nonlinear emission direction.
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