Boosting second-harmonic generation in the LiNbO3 metasurface using high- Q guided resonances and bound states in the continuum

二次谐波产生 激发态 材料科学 非线性光学 纳米结构 物理 非线性系统 光学 原子物理学 纳米技术 量子力学 激光器
作者
Ze Zheng,Lei Xu,Lujun Huang,Daria A. Smirnova,Peilong Hong,Cuifeng Ying,Mohsen Rahmani
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (12) 被引量:43
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.125411
摘要

To date, second-harmonic generation (SHG) at nanoscale has been concentrated on employing high-refractive-index nanostructures, owing to the strong field confinement at deep subwavelength scales based on optically resonant effects. However, low-index nanostructures generally exhibit weaker resonant effects and lower field confinement. To address this issue, by harnessing the large nonlinearity of LiNbO$\mathrm{_3}$, we propose a novel approach to employ guided resonances and bound states in the continuum (BICs) with a LiNbO$\mathrm{_3}$ metasurface consisting of a LiNbO$\mathrm{_3}$ disk array sitting on a LiNbO3 thin film. Such a system can transform the guided modes supported by LiNbO$\mathrm{_3}$ thin film into high-quality guided resonances which can be excited directly under plane-wave illumination. Importantly, we further demonstrate strong field confinement inside LiNbO3 thin film with tailorable Q-factor by realising a Friedrich-Wintgen BIC. Such a unique mode engineering enables a record-high SHG efficiency of 5\% under a pump intensity as low as 0.4 $\mathrm{MW/cm^{2}}$. Moreover, we reveal the influence of nonlinear resonances and cross-coupling on the SHG by showing the anomalous SHG and efficiency tuning with the rotation of the crystal axis. Our work offers a new route to constructing enhanced SHG based on high-Q guided resonances and BICs, including low-index and high-index nonlinear materials.
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