Broadband and efficient third-harmonic generation from black phosphorus–hybrid plasmonic metasurfaces in the mid-infrared

材料科学 二次谐波产生 非线性光学 红外线的 实现(概率) 光电子学 非线性系统 光学 物理 激光器 统计 数学 量子力学
作者
Song Zhu,Wenduo Chen,Tuğba Temel,Fakun Wang,Xiaodong Xu,Ruihuan Duan,Tingting Wu,Xuan Mao,Congliao Yan,Jianbo Yu,Chongwu Wang,Yuhao Jin,Jieyuan Cui,Jinghao Li,Dora Juan Juan Hu,Zheng Liu,R. Murray,Yu Luo,Qijie Wang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (20)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adt3772
摘要

Black phosphorus (BP), with a mid-infrared (MIR) bandgap of 0.34 eV, presents itself as a promising material for MIR nonlinear optical applications. We report the realization of MIR third-harmonic generation (THG) in both BP and BP-hybrid plasmonic metasurfaces (BPM). BP exhibits a high third-order nonlinear susceptibility ( χ ( 3 ) ) exceeding 10 −18 m 2 /V 2 in the MIR region with a maximum value of 1.55 × 10 −17 m 2 /V 2 at 5000 nm. The BP flake achieves a THG conversion efficiency of 1.4 × 10 −5 , surpassing that of other 2D materials by over one order of magnitude. To further enhance this nonlinear performance, a BPM is designed and fabricated to achieve a two-order-of-magnitude enhancement in THG, leading to a record conversion efficiency of 6.5 × 10 −4 , exceeding the performance of previously reported metasurfaces by more than one order of magnitude. These findings establish BP as a promising platform for next-generation MIR nonlinear optical devices.
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