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。

我们发现，在硅（SI）MEE谐振器中，非线性光学常数（N2）的大量增加了100,000倍，这表明这是一种热光效应。然而，该谐振器的结构尚未优化，并且CW激光束（波长592nm）的吸收率在a至0.3处保持较低。我们旨在提高吸收率并以低功率产生大型非线性光学散射。在这项研究中，基于退化临界耦合（DCC）的原理，我们试图通过从MEE谐振阵列中形成完美的吸收剂（PA）来最大化光热转化效率。这项研究是与大阪大学和台湾大学（NTU）的Shi-Wei Chu教授合作进行的。大阪大学提出的结构概念，模拟，装置制造和基本光谱均测量，而NTU进行了超高速度的微光谱。结果如下：1）在MEE谐振器中生成电偶极子（ED）和磁偶极子（MD），以产生退化的Huygens偶极子（HD），并改变谐振器的大小和周期以控制辐射损失。这可以通过与ED/MD的辐射损失和材料损失相匹配来实现PA。已经发现，非线性散射产生的功率可以降低至1/10，因为在PA的谐振条件下，热形效应高效。 2）我们尝试扩展DCC条件，这些条件以前仅限于Si中仅限于SI的可见范围，使用石墨烯可以吸收任何波长的光。已经发现，即使在Si-Mee谐振器上的石墨烯相结合，也可以在近红外区域实现PA。

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