表面等離激元波導中表面等離激元二次諧波的產生機制

張同舟 徐藝 高寶偉 張家森

北京大學物理學院現代光學研究所, 北京100871; ? 通信作者, E-mail: jszhang@pku.edu.cn

表面等離激元(surface plasmon polaritons, SPPs)是發生在金屬表面附近的電子的集體振蕩, 因其局域性好和場增強效果顯著的特點, 在許多工作中用于增強非線性效應[1–7]。為了在片上光學系統中產生較強的非線性效應, 人們利用能傳播 SPP的表面等離激元波導進行了一系列非線性過程研究[8–16],包括二次諧波的產生(second harmonic generation,SHG)、自相位調制和光克爾效應等。在二次諧波產生過程中, 與于傳統的介質波導相比, 表面等離激元波導具有尺寸小、場增強效果好的優點, 但也有色散大、損耗大的缺點, 因此轉化效率很低[17]。為了消除倍頻過程中的相位失配、提高倍頻效率,人們設計了多種結構的表面等離激元波導[18–23], 但是尚未見實驗成功的報道。

一般來說, 在表面等離激元波導中實現無相位失配的倍頻, 需要波導中存在一種基頻模式和一種倍頻模式, 并且兩種模式的等效折射率相等。由于大部分有較大二階非線性系數的體材料折射率較大, 使得兼具相位匹配、低損耗和低制備難度波導的設計難度很大, 從而給實驗的實現帶來很大的困難。近年來, 隨著材料科學的發展, 基于二維材料(如石墨烯和單層二硫化鉬(Monolayer MoS2)等)設計的波導開始應用于產生非線性效應研究中[24–27]。Li 等[28]將單層 MoS2與 Ag 納米線波導結合, 通過在波導中形成駐波, 實現不受相位匹配條件限制的二次諧波產生。由于駐波場中各點相位相同, 波導中各點產生的倍頻光耦合為傳播模式時會產生嚴重的相干相消現象, 其在產生倍頻 SPP 時可以利用的波導長度和倍頻效率的上限均小于傳播的波導模式的倍頻?！?br>