硅襯底上單層WS2二次諧波高效定向性發射研究獲進展
近日，中國科學院國家納米科學中心劉新風團隊與北京大學、北京理工大學研究團隊合作，通過將原子級薄的WS2薄膜與硅孔陣列耦合形成法布里-珀羅(F-P)腔，實現增強的二次諧波定向發射。相關研究成果發表在ACS Nano上。
二次諧波又稱為倍頻效應，是一種源于激發場下的電磁場極化高階項的非線性光學過程，其響應通常很弱，需要嚴苛的相位匹配以及足夠的作用長度來增強非線性效應，這導致非線性器件體積較大，難以集成。單層二維過渡金屬硫化物（TMDs）擁有非常高的二階非線性極化張量，使其成為小型化片上頻率轉換器件、全光互連和光電集成的理想選擇。然而，受限于單層TMDs亞納米尺寸厚度，其二次諧波轉換效率仍然很低。因此，使用微納結構增強單層TMD中光與物質相互作用，提高二次諧波轉換效率，對其實際應用尤為重要。二次諧波方向性出射的實現，可以提高遠場光束的利用率，使其能更好地應用在硅基超薄倍頻器件、集成光子學等領域。
使用紫外光刻和ICP刻蝕技術在SiO2/Si硅襯底上制備出圓孔陣列，通過機械剝離和定點轉移法獲得單層WS2并將其轉移到硅襯底上，形成微腔結構，實現了最大三個數量級的二次諧波增強。角分辨結果表明孔洞樣品處出現了明顯的色散模式，這表明孔洞與覆蓋的單層WS2形成了法布里-珀羅微腔結構。通過遠場成像，研究人員發現由于與FP微腔的共振耦合，WS2在微腔上的遠場發散角僅為5°，表明微腔結構可實現二次諧波方向性出射的調控。該研究利用硅基微結構與單層TMDs材料耦合，實現定向發射的高效二次諧波產生，不僅推動了硅基微結構在非線性領域的進一步發展，同時為TMDs材料實現高效的二階非線性轉換提供了一種新策略，為其在超薄倍頻器件和集成光子學應用方面奠定了基礎。
相關工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類），科學技術部重點研發計劃，國家自然科學基金委和低維量子物理重點實驗室開放課題等項目的支持。
圖1 在帶圓孔陣列的硅襯底上，實現了單層WS2二次諧波的增強
圖2 二次諧波方向性出射
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