具有可切换SHG猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法

具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及于电磁波相位调控技术领域，尤其涉及一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法。


背景技术：

2.非线性光谐波的产生在许多技术领域都具有重要的意义，在光子学、化学以及生物传感等研究领域引起了广泛的关注。而对纳米结构的非线性光学性质的理解和控制是实现非线性纳米光子器件的一个重要问题。为此相关研究人员在近十几年致力于提高非线性转换效率，其中包括设计新材料及新系统等。近年来，随着等离激元、超材料和超表面等这类在许多方面都优于天然材料的新人工材料的出现，人们开始极度关注对纳米光子学中非线性过程的理解和观察。二次谐波(second harmonic generation，简称shg)作为最为重要的非线性过程之一，提高shg转换效率的方法有很多，其中包括通过激发表面等离激元共振(surface plasmon resonance，简称spr)、fano共振模式、anapole模式、连续体中的束缚态(bound-states in the continuum，简称bic)以及双共振模式等来增强非线性材料内部的基频场，从而有效促进shg。另外有效介电常数接近于零的材料，即近零材料(epsilon-near-zero，简称enz)可表现出明显的非线性光学特性。由于电位移场的法向分量在两介质界面处具有连续性，因此enz介质可以提供较大的场增强，并且为实现相位匹配条件提供了独特的机会。由此看来，enz介质可以产生前所未有的强的非线性光学响应，其中就包括可以显著增强shg。
3.对于以往的研究成果，更多的是关注于shg的增强，其增强shg转换效率的思路主要包括三个方面：1)增大二阶非线性磁化率对于这种增强shg的方法，通常可以采用非线性系数较大的材料以及具有更大非线性系数的人工合成非线性材料，如非线性双折射晶体铌酸锂(linbo3)、无机纳米材料gaas、zno以及非线性超材料等。2)增强基频场e。对于这种增强shg的方法，通常可以通过激发相应的共振模式来实现shg的增强，其中包括表面等离激元共振(spr)、fano共振模式、anapole模式、连续体中的束缚态(bic)以及双共振模式等。3)相位匹配。非线性偏振的局部相位决定了材料中产生的非线性光在其产生和传播过程中的干扰方式，当光在不同波长下的传播速度不同时，色散将会阻碍shg的有效转换，如果能在不改变材料的线性特性的情况下局部控制材料的非线性极化相位，将可以避免这种失配，即满足相位匹配，从而可有效提高shg的非线性转换效率。
4.现有技术主要缺点在于：
5.对于使用天然非线性材料实现shg增强的方法，shg增强的程度会受到材料自身非线性响应程度的限制。而采用人工合成的非线性材料虽然可以打破shg增强程度的限制，但其结构参数往往较为复杂，不易于加工制备。
6.增强基频场e来促进shg转换的方式往往仅局限于共振频段范围内，其工作频率带宽较窄，很难做到较宽频段下的shg增强。
7.致力于增强和调控shg信号的同时，忽略了shg所带来的危害和不利影响，例如光
信息传输效率低下、谐波污染等。


技术实现要素：

8.为此，本发明实施例提供了一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法，用于解决现有技术中在实现shg非线性转换时，存在结构复杂、很难做到较宽频段下的shg增强、传输效率低下以及谐波污染等问题。
9.为了解决上述问题，本发明实施例提供一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，该非线性光学超表面包括：
10.衬底层，所述衬底层由二氧化硅组成；
11.超表面结构层，所述超表面结构层由二氧化硅衬底层上的一组亚波长尺寸的单元方阵组成，所述每个单元方阵由一个cdo-gete多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等；
12.其中，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯。
13.优选地，所述衬底层的厚度为微米级。
14.优选地，所述cdo-gete多层膜由cdo层和gete层交替叠加组成。
15.优选地，所述cdo层和所述gete层的厚度均为深亚波长尺寸。
16.优选地，所述cdo-gete多层膜的尺寸为纳米级。
17.优选地，所述由二氧化硅构成的长方体的尺寸为纳米级。
18.本发明实施例还提供了一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面的控制方法，其特征在于，采用上述所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面进行shg淬灭的动态切换。
19.优选地，通过改变gete的相态来控制cdo-gete多层膜的光学性质，进而实现shg淬灭的动态切换。
20.优选地，gete相态的改变通过光学或焦耳加热实现，当gete处于晶相时，实现高shg转换效率，当gete处于非晶相时，实现低shg转换效率。
21.本发明实施例还提供了一种多功能非线性光子器件，利用上述所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，实现shg淬灭的动态切换，进而实现多功能非线性光子器件的开与关。
22.从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下优点：
23.本发明实施例提供一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法，该非线性光学超表面包括衬底层，所述衬底层由二氧化硅组成；超表面结构层，所述超表面结构层由二氧化硅衬底层上的一组亚波长尺寸的单元方阵组成，所述每个单元方阵由一个cdo-gete多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等；其中，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯，本发明提供的非线性光学超表面结构参数简单易于加工制备，为基于非线性材料和enz材料集成的非线性光开关和调制器等创新应用开辟了途径。本发明提供的shg非线性转换的控制方法，解决了传统shg非线性转换的方式往往仅局限于共振频段范围内，其工作频率带宽较窄，很难做到较宽频段下的shg增强的问题，本发明通过改变gete的相态来控制cdo-gete多层膜的光学性质，其中gete相态的改变通过光学或焦耳加
热实现，进而易于实现shg淬灭的动态切换。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下边将对实施例中所需要使用的附图做简单说明，通过参考附图会更清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应该理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
25.图1为根据实施例中提供的一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面的结构示意图；
26.图2为根据实施例中提供的gete处于晶相(crystalline)或非晶相(amorphous)的中心cdo-gete多层膜的ε
y,eff
的实部，即re(ε
y,eff
)作为波长的函数，以及插图中显示ε
y,eff
的虚部，即im(ε
y,eff
)作为波长的函数的示意图；
27.图3为根据实施例中提供的在石墨烯所在的平面上，非线性光学超表面的一个单元内归一化基频电场振幅的分布情况的示意图；
28.图4为根据实施例中提供的gete处于晶体(crystalline)或非晶相(amorphous)相时，非线性光学超表面产生的shg能量示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案与优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例一
31.如图1所示，本发明实施例提出一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，该非线性光学超表面包括：
32.衬底层，所述衬底层由二氧化硅组成；
33.超表面结构层，所述超表面结构层由二氧化硅衬底层上的一组亚波长尺寸的单元方阵组成，所述每个单元方阵由一个cdo-gete多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等；
34.其中，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯。
35.本发明实施例提供了一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，该非线性光学超表面包括衬底层，所述衬底层由二氧化硅组成；超表面结构层，所述超表面结构层由二氧化硅衬底层上的一组亚波长尺寸的单元方阵组成，所述每个单元方阵由一个cdo-gete多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等；其中，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯，本发明提供的非线性光学超表面结构参数简单易于加工制备，为基于非线性材料和enz材料集成的非线性光开关和调制器等创新应用开辟了途径。本发明提供的shg非线性转换的控制方法，解决了传统shg非线性转换的方式往往仅局限于共振频段范围内，其工作频率带宽较窄，很难做到较宽频段下的shg增强的问题，本发明通过改变gete的
相态来控制cdo-gete多层膜的光学性质，其中gete相态的改变通过光学或焦耳加热实现，进而易于实现shg淬灭的动态切换。
36.本发明实施例提供的的非线性光学超表面，由在2μm厚的二氧化硅(sio2)衬底上具有晶格常数为200nm的单元方阵组成。每个单元方阵由一个cdo-gete多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等。
37.其中，所述cdo-gete多层膜由半导体材料氧化铬(cdo)层和相变材料碲化锗(gete)层交替叠加组成。具体地，所述cdo-gete多层膜为8层，所述cdo-gete多层膜的尺寸为100nm
×
100nm
×
50nm。
38.所述cdo层和所述gete层的厚度均为深亚波长尺寸。具体地，每个cdo(或gete)层的厚度分别为t
cdo
＝13.1nm(或t
gete
＝11.9nm)。
39.进一步地，由二氧化硅构成的长方体的尺寸为20nm
×
20nm
×
25nm，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯。石墨烯是一种独特的非线性光学材料，具有优异的光学性能，通常情况下，独立的石墨烯由于其中心对称性，其shg响应是被禁止的，但当石墨烯放置在反转对称性破损的基底上时(例如本实施例中使用的sio2)，shg将被允许。考虑到石墨烯属于d6h对称群，其表面二阶非线性光学电导率张量只有三个独立的非零分量，即和这里我们设定这里我们设定
40.实施例二
41.本发明提供一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面的控制方法，该控制方法采用上述所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面进行shg淬灭的动态切换。
42.具体地，通过改变相变材料gete的相态来控制cdo-gete多层膜的光学性质，进而实现shg淬灭的动态切换，当gete处于晶相时，实现高shg转换效率(图1(a))，当gete处于非晶相时，实现低shg转换效率(图1(b))。其中入射光在y方向上偏振，并沿z方向传播。工作波长为中红外波段，每个cdo(或gete)层的厚度分别为t
cdo
＝13.1nm(或t
gete
＝11.9nm)。cdo的相对介电常数可以用drude模型描述，其中ε
∞
＝5.5，ω
p
＝1.23
ⅹ
10
15
rad/s，γ＝1.77
ⅹ
10
13
rad/s。gete具有在晶体和非晶相之间以可逆方式快速切换的能力，相变可以通过光学或焦耳加热实现。值得注意的是，不同相态下gete的光学性质存在显著差异，因此可以通过改变gete的相态来有效地操纵cdo-gete多层膜的光学性质。由于其尺寸为深亚波长，可以近似均质为有效的各向异性介质，其有效相对介电常数的y分量可以表示为ε
y,eff
＝(ε
cdo
t
cdo
+ε
gete
t
gete
)/(t
cdo
+t
gete
))。
43.如图2所示，gete处于晶相(crystalline)或非晶相(amorphous)的中心cdo-gete多层膜的ε
y,eff
的实部，即re(ε
y,eff
)作为波长的函数；图2中的插图显示ε
y,eff
的虚部，即im(ε
y,eff
)作为波长的函数。在图2中，我们绘制了当gete处于晶相(crystalline)或非晶相(amorphous)时，ε
y,eff
的实部re(ε
y,eff
)随入射波长的变化情况。我们可以观察到，在6.93μm
波长的非晶态相中re(ε
y,eff
)＝0，此时ε
y,eff
的虚部即im(ε
y,eff
)不是很大(见图2中的插图)。在这种情况下，中心的非晶态cdo-gete多层膜可以看作是ε
y,eff
≈0的有效各向异性enz介质。然而，当gete切换到晶相时，我们有re(ε
y,eff
)＝0.81＞＞0和im(ε
y,eff
)＝5.29，表明enz条件被打破。
44.如图3所示，展示了在石墨烯所在的平面上，非线性光学超表面的一个单元内归一化基频电场振幅的分布情况。其中图3(a)为晶相有效介质模型，图3(b)为非晶态有效介质模型，图3(c)为晶相实结构模型，图3(d)为非晶相的真实结构模型。
45.具体地，当gete切换到晶相时，enz条件被打破，来自石墨烯的shg出现(如图1(a)所示)。当gete处于非晶相时，cdo-gete多层膜有效地充当了各向异性enz介质，可在表面附近法向y方向产生近零局部电场(如图3所示)，放置在此处的石墨烯将很难“看到”入射光，因此来自石墨烯的shg被抑制(如图1(b)所示)。
46.为了进行数值验证，我们设定石墨烯的相关参数为为了进行数值验证，我们设定石墨烯的相关参数为为了进行数值验证，我们设定石墨烯的相关参数为工作波长为6.93μm。
47.如图4所示，展示了非线性光学超表面的shg能量，其组成成分gete处于晶体(crystalline)或非晶相(amorphous)相。其中非晶相的shg能量放大了10倍，以获得更好的可视化效果。在每个阶段，左右柱分别对应以中央cdo-gete多层膜为有效介质的情况和具有原始真实结构的情况。从图4中可以观察到，非晶相态下产生的shg能量远低于晶相态下产生的shg能量，从而证明了该非线性光学超表面可实现动态可控的shg猝灭效应。
48.实施例三
49.本发明实施例还提供了一种多功能非线性光子器件，利用上述所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，实现shg淬灭的动态切换，进而实现多功能非线性光子器件的开与关。
50.具体地，所述多功能非线性光子器件利用由半导体材料氧化铬(cdo)层和相变材料碲化锗(gete)层交替组成的集成各向异性enz介质的动态可控的石墨烯非线性超表面，通过改变gete的相态，可以动态的“打开”和“关闭”有非线性超表面所产生的shg。
51.所述多功能非线性光子器件的实现利用上述提供的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法，为了避免冗余，在此不再赘述。
52.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
53.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
54.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，其特征在于，包括：衬底层，所述衬底层由二氧化硅组成；超表面结构层，所述超表面结构层由二氧化硅衬底层上的一组亚波长尺寸的单元方阵组成，所述每个单元方阵由一个cdo-gete多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等；其中，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯。2.根据权利要求1所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，其特征在于，所述衬底层的厚度为微米级。3.根据权利要求1所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，其特征在于，所述cdo-gete多层膜由cdo层和gete层交替叠加组成。4.根据权利要求1所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，其特征在于，所述cdo层和所述gete层的厚度均为深亚波长尺寸。5.根据权利要求1所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，其特征在于，所述cdo-gete多层膜的尺寸为纳米级。6.根据权利要求1所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，其特征在于，所述由二氧化硅构成的长方体的尺寸为纳米级。7.一种具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面的控制方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任意一项所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面进行shg淬灭的动态切换。8.根据权利要求7所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面的控制方法，其特征在于，通过改变gete的相态来控制cdo-gete多层膜的光学性质，进而实现shg淬灭的动态切换。9.根据权利要求8所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面的控制方法，其特征在于，gete相态的改变通过光学或焦耳加热实现，当gete处于晶相时，实现高shg转换效率，当gete处于非晶相时，实现低shg转换效率。10.一种多功能非线性光子器件，其特征在于，利用权利要求1至6中任意一项所述的具有可切换shg猝灭效应的非线性光学超表面，实现shg淬灭的动态切换，进而实现多功能非线性光子器件的开与关。

技术总结
本发明提供一种具有可切换SHG猝灭效应的非线性光学超表面及其控制方法。该非线性光学超表面包括衬底层，所述衬底层由二氧化硅组成；超表面结构层，所述超表面结构层由二氧化硅衬底层上的一组亚波长尺寸的单元方阵组成，所述每个单元方阵由一个CdO-GeTe多层膜和两个由二氧化硅构成的长方体组成，所述单元方阵之间并列排列，相邻两个所述单元方阵的距离相等；其中，在所述由二氧化硅构成的长方体远离衬底层的端面上覆盖着一层石墨烯。本发明结合相变材料在晶体和非晶相之间以可逆方式快速切换的能力，提出了一种非线性超表面以实现SHG的动态调控，为基于非线性材料和ENZ材料集成的非线性光开关和调制器等创新应用开辟了途径。途径。途径。


技术研发人员：高雷 王成琳 罗杰
受保护的技术使用者：苏州城市学院
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/22