哥伦比亚大学研究人员开发出新技术 增强非线性光学过程

哥伦比亚大学的研究人员首次设计出利用二维材料的可调谐对称性进行非线性光学应用的技术,包括激光、光学光谱、成像和计量系统,以及下一代光学量子信息处理和计算。

非线性光学是研究光如何与物质相互作用的,对许多光子应用至关重要,从我们大家熟悉的绿色激光指针到量子光子学的强宽带(白光)光源,可以实现光量子计算、超分辨率成像、光学传感和测距等。通过非线性光学,研究人员正在发现使用光的新方法,从近距离观察物理学、生物学和化学中的超快过程,到增强通信和导航、太阳能采集、医学测试和网络安全。

哥伦比亚工程公司的研究人员报告说,他们开发了一种新的、有效的方法来调制和增强一种重要类型的非线性光学过程,即光学二次谐波生成,他们在六边形氮化硼多层堆叠中,通过微机械旋转,两个输入的光子结合在一起,产生一个能量为两倍的光子。该研究已于 2021 年 3 月 3 日在线发表在《科学进展》杂志上。

氮化硼晶体被蚀刻成微转子形状,并由原子力显微镜尖端推动。通过这种方式,界面晶格结构(放大插图)的对称性被动态调整,从而产生调制的光学频率转换效率。这是二维材料领域的一个热门话题,即探索如何使一层相对于另一层的扭曲或旋转能够改变分层系统的电子特性,这在三维晶体中是无法做到的,因为原子在三维网络中紧密地结合在一起。

科学家现在可以在非常小,只有几个原子层厚度的体积中实现巨大的非线性光学响应实现,例如,纠缠光子的产生,并具有更紧凑的,芯片兼容的足迹。此外,响应是完全可以按需调整的。该小组发现,范德华多层晶体为工程光学非线性提供了另一种解决方案。得益于极弱的层间力,研究人员可以通过微机械旋转轻松操纵相邻层之间的相对晶体取向。凭借在原子层极限控制对称性的能力,他们分别用微转子器件和超晶格结构展示了对光学二次谐波产生的精确调谐和巨大增强。

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