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物理学院张国权教授研究组参与研发新型高效硅基纳米光源

来源: 南开新闻网     发稿时间: 2018-08-03 18:14

  南开新闻网讯(通讯员 王菲斐)日前,南开大学物理科学学院张国权教授研究组与澳大利亚新南威尔士大学AndreyMiroshnichenko教授、澳大利亚国立大学Dragomir Neshev教授研究组、意大利米兰理工大学和德国耶拿大学等多个研究组共同研发出一种新型硅基非线性纳米光源,其三次谐波转换效率高达0.01%,是到目前为止基于纳米结构所实现的三次谐波的最高转换效率。该研究有望在集成光子器件、生物传感、信息加密、夜视设备等领域发挥巨大的应用潜力。研究论文发表在最新一期《Light: Science &Applications》上。

  众所周知,纳米尺度下的光操控对于光子器件以及在光学芯片上的集成至关重要。而金属纳米结构通常由于吸收损耗较大,极大地影响了其在纳米光子学领域的进一步应用。而且金属结构一般较难产生磁响应,不利于利用电和磁响应的耦合来对光场进行更为灵活的调控。近年来,非线性纳米光子学作为纳米光子学的一个重要分支,在光学计算、生物传感等方面都有着很重要的应用前景。然而目前基于纳米结构的非线性转换效率较低,极大地制约了纳米结构在这些领域的进一步应用。硅作为现代光电子产业的基石,硅基纳米结构易于制备,加工工艺成熟,硅基光子学也逐步走向实用。

  张国权教授介绍说,这种纳米结构由硅基纳米颗粒和金膜构成,有效地结合了金属和介质各自的优点。通过激发无辐射anapole模式有效地将光场局域在硅纳米颗粒内,同时通过金膜来构造出一个镜像源,实现了对非线性效应的极大增强,使得基于纳米结构的三次谐波转换效率达到了一个新的高度。基于近场局域强光与物质的相互作用,这种结构有望在量子器件、信息探测、以及基于非线性来提高生物传感灵敏度等方面发挥应用潜力。

  有意思的是,这种纳米结构由于激发的是无辐射anapole模式,所以纳米颗粒不影响入射光的传播特性,换言之,纳米颗粒对于入射光波而言可以说是“隐身”的,而同时它可以作为一个高效光源产生不同频率的光。主要研究人员之一新南威尔士大学的研究员徐雷说道:“根据这一性质,我们可以实现在纳米结构上加载所需信息,而同时该信息对于特定波段的通信网络来说又是“隐身”的。所以这种纳米结构就像一种特殊的纳米镜片,在光通信网络系统中,它在充当镜片功能的同时,又可以利用这种高效的非线性效应实现信息的存储与加密,或者实现对周围环境的传感探测等功能。”

  另外,这种纳米结构厚度只有两三百纳米,易于集成于各种器件,从而通过硅纳米颗粒来改变光的强度、颜色和分布。在夜晚收集周围环境中不可见的红外光,通过转换成人眼能够识别的可见光,有望实现新型低功耗低成本夜视镜设备。

  https://www.nature.com/articles/s41377-018-0051-8

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