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扭转光学——控制光学非线性的新途径

2021-3-9 09:08| 发布者: vantsing| 查看: 268| 评论: 0

摘要: -哥伦比亚大学工程与应用科学学院 两块氮化硼晶体板相互动态扭曲。在一定的角度下,入射的激光(橙色光束)可以有效地转换为更高能量的光(粉色光束),这是微机械对称性破坏的结果。作者:Nathan R.Finney and Sang ...

-哥伦比亚大学工程与应用科学学院

  两块氮化硼晶体板相互动态扭曲。在一定的角度下,入射的激光(橙色光束)可以有效地转换为更高能量的光(粉色光束),这是微机械对称性破坏的结果。作者:Nathan R.Finney and Sanghoon Chae/Columbia Engineering

  非线性光学是研究光如何与物质相互作用的一门学科,它对许多光子应用至关重要,从我们都熟悉的绿色激光指针到量子光子学的强宽带(白色)光源,这些光源可以实现光学量子计算、超分辨率成像、光学传感和测距等。通过非线性光学,研究人员正在发现利用光的新方法,从近距离观察物理学、生物学和化学中的超快过程,到加强通信和导航、太阳能收集、医疗测试和网络安全。

  哥伦比亚工程研究人员报告说他们开发了一种新的,调制和增强一种重要的非线性光学过程的有效方法:光学二次谐波产生,其中两个输入光子通过微机械旋转和多层叠层在材料中结合产生一个光子,能量是六方氮化硼的两倍。这项研究于33日由《Science Advances》在线发表。

  机械工程副教授James Schuck与机械工程教授Wang Fong-Jen共同领导了这项研究,他说:我们的工作是第一次利用二维材料的动态可调谐对称性来实现非线性光学应用

  二维材料领域的一个热门话题是探索一层相对于另一层的扭曲或旋转如何改变层状体系的电子性质这是三维晶体无法做到的,因为原子在三维网络中紧密结合在一起。解决这一挑战带来了一个新的研究领域,称为“twistronics”。在这项新的研究中,研究小组使用twistronics的概念来证明它们也适用于光学性质。

  实验的示意图。氮化硼晶体被蚀刻成微旋转体形状,并被原子力显微镜针尖推动。这样,界面晶格结构(放大插图)的对称性被动态调谐,从而产生光学频率转换的调制效率。作者:Nathan R.Finney and Sanghoon Chae/Columbia Engineering

  目前大多数传统的非线性光学晶体是由共价键合材料制成的,如铌酸锂和硼酸钡。但由于它们具有刚性晶体结构,其非线性光学特性的工程设计和控制非常困难。不过,对于大多数应用来说,对材料的非线性光学特性进行某种程度的控制是必不可少的。

  研究小组发现,van der Waals多层晶体为工程光学非线性提供了一种替代方案。由于极弱的层间作用力,研究人员可以通过微机械旋转很容易地操纵相邻层之间的相对晶体取向。由于能够控制原子层极限的对称性,他们分别展示了微旋转器器件和超晶格结构对光学二次谐波产生的精确调谐和巨大增强。对于超晶格,研究小组首先利用层旋转在层与层之间创造出“扭曲”的界面,产生极强的非线性光学响应,然后将这些“扭曲”界面中的几个相互叠加。

  多层氮化硼薄膜以可控的扭曲角相互叠置,非线性响应大大增强。这为制造原子精度的高效非线性光学晶体提供了一条新的途径。这些可用于广泛的激光(如绿色激光指针)、光学光谱、成像和计量系统。也许最重要的是,它们可以为下一代光学量子信息处理和计算提供产生纠缠光子和单光子的紧凑手段。

  这项工作是哥伦比亚大学可编程量子材料能源前沿研究中心与马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的理论合作者合作完成的。器件的制作部分是在哥伦比亚纳米计划的洁净室中完成的。

   “我们希望,”Schuck说,“这一演示为正在进行的旨在利用和控制材料特性的叙述提供了一个新的转折点。”


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