中大新聞網(wǎng)訊（通訊員周張凱）近日，中山大學(xué)物理學(xué)院王雪華、周張凱教授團(tuán)隊(duì)提出場(chǎng)增強(qiáng)增益新概念顯著增強(qiáng)微納結(jié)構(gòu)中光與物質(zhì)相互作用，研究成果發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Laser & Photonics Review。
微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的共振模式由于能夠形成強(qiáng)烈的局域電場(chǎng)增強(qiáng)，因此一直以來被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用。但是，光子共振模式存在一些固有的弊端，比如吸收大、帶寬窄，極大地降低了參與光與物質(zhì)相互作用的光子數(shù)。因此，是否能實(shí)現(xiàn)比共振模式更好的光與物質(zhì)相互增強(qiáng)，是微納光子學(xué)研究領(lǐng)域需要解決和回答的一個(gè)重大科學(xué)問題。
圖1 陣列雙曲超結(jié)構(gòu)中的共振模式與場(chǎng)增益模式對(duì)比
針對(duì)上述問題，他們首先在理論上提出考慮系統(tǒng)吸收損耗的場(chǎng)增強(qiáng)增益因子和最佳場(chǎng)增強(qiáng)增益模新概念，以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)共振模式更好的光學(xué)響應(yīng)增強(qiáng)。傳統(tǒng)上，人們采用場(chǎng)增強(qiáng)因子f0(λ)= |E(λ)/E0(λ)|2（E(λ)和E0(λ)分別表示當(dāng)波長(zhǎng)為λ時(shí)，光子學(xué)系統(tǒng)中的總光場(chǎng)振幅和入射光場(chǎng)振幅）尋找共振模式（共振波長(zhǎng)即為使f0(λ)取最大值的波長(zhǎng)，記為λ0），作為光與物質(zhì)相互作用增強(qiáng)的最優(yōu)選擇。但共振模式往往伴隨最大的吸收損耗，會(huì)顯著減少實(shí)際參與光與物質(zhì)相互作用的光子數(shù)，從而大大降低共振模式帶來的光學(xué)響應(yīng)增強(qiáng)的實(shí)際效果。為此，他們提出場(chǎng)增強(qiáng)增益因子新概念fFEG(λ) = f0(λ)[1-β(λ)]（β(λ)為光子學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)于波長(zhǎng)為λ的光子的吸收率），以尋找最佳場(chǎng)增強(qiáng)增益模（fFEG(λ)取最大值的波長(zhǎng)即為最佳增益模的波長(zhǎng)，記為λF）用于增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用。理論模擬發(fā)現(xiàn)：不僅最佳場(chǎng)增強(qiáng)增益模比共振模式有更顯著的光學(xué)響應(yīng)增強(qiáng)，而且存在一個(gè)比共振模式更強(qiáng)的光學(xué)響應(yīng)增強(qiáng)寬帶區(qū)，如圖1e所示。為實(shí)驗(yàn)證明場(chǎng)增強(qiáng)增益概念的有效性，他們通過單層MoS2與陣列雙曲超結(jié)構(gòu)相互作用的非線性光學(xué)響應(yīng)，演示了存在一個(gè)比共振模式更強(qiáng)的非線性響應(yīng)寬帶區(qū)，且最佳場(chǎng)增強(qiáng)增益模可導(dǎo)致超過20000倍的二次諧波信號(hào)增強(qiáng)，約為相同條件共振模式所產(chǎn)生二次諧波增強(qiáng)的2倍，如圖2所示。
圖2 陣列雙曲超結(jié)構(gòu)增強(qiáng)單層MoS2二次諧波的測(cè)試
相關(guān)工作以“Giant Nonlinear Response of Monolayer MoS2 Induced by Optimal Field-Enhancement Gain Mode on the Surface of Hyperbolic Metamaterials”為題，于2021年11月11日在線發(fā)表于Laser & Photonics Review。該工作由中山大學(xué)為完成單位，中山大學(xué)王雪華教授團(tuán)隊(duì)的周張凱教授為第一作者，王雪華教授為通訊作者。該研究受到廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018B030329001），國(guó)家自然科學(xué)基金（11974437，91750207），“廣東特支計(jì)劃”（2017TQ04C487，2019JC05X397），廣東省自然科學(xué)基金（2020A0505140004）以及中山大學(xué)高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)（20lgzd30）的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100281
