Giant nonlinear refractive index and applications by Huygens dipole in silicon Mie resonator

巨非线性折射率及其惠更斯偶极子在硅米氏谐振器中的应用

• 批准号: 22K18987
• 负责人: 高原 淳一
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18987/
• 关键词: 熱光学効果; メタサーフェス; 非線形屈折率; ミー共振器; ホイヘンスダイポール

我々はシリコン（Si）ミー共振器においてバルクの１０万倍もの非線形光学定数（n2）の増大を見出し、これが熱光学効果であることを示した。しかし、この共振器の構造は最適化されおらず、cwレーザー光（波長592nm）における吸収率はA～0.3と低いままにとどまっていた。我々は吸収率を向上させ低パワーで大きな非線形光学散乱を起こすことをめざした。本研究では縮退臨界結合（Degenerate Critical Coupling: DCC）の原理に基づいて、ミー共振器アレイから完全吸収体（Perfect Absorber: PA）を形成することにより、光熱変換効率を最大化することを試みた。本研究は大阪大学と国立台湾大学（NTU）のShi-Wei Chu教授との共同研究により行った。大阪大学では構造の概念提案とシミュレーション、素子作製および基本的な光学スペクトルの計測を行い、NTUでは超高速顕微分光を行った。結果は以下の通りである。１）ミー共振器中で電気双極子（Electric Dipole: ED）と磁気双極子（Magnetic Dipole: MD）が縮退したホイヘンス・ダイポール（Huygens Dipole: HD）を生成し、共振器サイズと周期を変えて放射損失を制御する。これによりED/MDの放射損失と材料損失を整合させることにより、PAを実現した。PAの共振条件においては熱光学効果が高効率におきるために、非線形散乱の発生パワーを1/10に低減できることがわかった。２）あらゆる波長の光を吸収することができるグラフェンを利用してこれまでSiでは可視域のみに制限されていたDCC条件の拡張を試みた。グラフェンをSiミー共振器上にのせる結合させることで、近赤外域においてもPAを実現できることがわかった。

I 々 は シ リ コ ン (Si) ミ ー resonator に お い て バ ル ク の 100000 times も の nonlinear optical constant (n2) の raised large を see し, こ れ が thermal optical unseen fruit で あ る こ と を shown し た. し か し, こ の resonator は の structure optimization さ れ お ら ず, the cw レ ー ザ ー light (592 nm) wavelength に お け る は A ~ 0.3 と 収 absorption rate low い ま ま に と ど ま っ て い た. I 々 は を 収 absorption rate upward さ せ low パ ワ ー で big き な nonlinear optical scattered を up こ す こ と を め ざ し た. In this study, the で Degenerate Critical Coupling (Degenerate Critical Coupling: DCC) <s:1> principle に basis づ て て て, <s:1> Absorber resonator アレ ら ら ら complete extractor (Perfect Absorber:) PA) を forms する とによ とによ, を maximizes the photothermal conversion efficiency する とを とを try みた.​ Osaka university で は tectonic の concept proposal と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン, grain son お よ び basic な optical ス ペ ク ト ル の measuring を い, NTU で は ultra-high-speed 顕 differential optical line を っ た. As a result, the following である pass through である. 1) The で Electric Dipole (ED) と Magnetic Dipole (MD) が retraction <s:1> たホ ヘ ヘ ス ス · ダ ポ ポ ダ ス ス ス ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ ダ in the <s:1> ダ resonator (Huygens Dipole:) HD) を generates を, resonator サ ズと ズと period を variation えて radiation loss を controls する. <s:1> れによ た ED/MD <s:1> radiation loss と material loss を integration させる とによ とによ, PAを actual occurrence た. PA の resonance condition に お い て は thermal optical unseen fruit が high working rate に お き る た め に, nonlinear scattered の 発 raw パ ワ ー を 1/10 に low cut で き る こ と が わ か っ た. 2) あ ら ゆ の る wavelength light を 収 す る こ と が で き る グ ラ フ ェ ン を using し て こ れ ま で Si で は visible range の み limitations に さ れ て い た DCC conditions の company, zhang を try み た. グ ラ フ ェ ン を Si ミ ー resonator on に の せ る combining さ せ る こ と で, nearly bare outland に お い て も PA を be presently で き る こ と が わ か っ た.

项目成果

Angle-insensitive Huygens' metasurfaces of quadrupole modes

四极模式的角度不敏感惠更斯超表面

• DOI: 10.35848/1882-0786/aca06a
• 发表时间: 2022
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Rongyang Xu;and Junichi Takahara
• 通讯作者: and Junichi Takahara

シリコンメタサーフェスにおける多重極子とトロイダルモード

硅超表面中的多极和环形模式

• 发表时间: 2022
• 作者: 高原淳一;Rongyang Xu;酒井隆司
• 通讯作者: 酒井隆司

Giant nonlinear scattering and narrowband perfect absorption in silicon metasurface

硅超表面中的巨大非线性散射和窄带完美吸收

• 发表时间: 2022
• 作者: Rongyang Xu;and Junichi Takahara;高原淳一;Junichi Takahara
• 通讯作者: Junichi Takahara

National Taiwan University/Taiwan(その他の国・地域)

国立台湾大学/台湾（其他国家/地区）

シリコンミートロニクスの現状と展望

硅机电学的现状与展望

• 发表时间: 2023
• 作者: Rongyang Xu;and Junichi Takahara;高原淳一
• 通讯作者: 高原淳一