A Multi‐Scale Approach to Simulate the Nonlinear Optical Response of Molecular Nanomaterials

超极化率 材料科学 非线性光学 光子晶体 非线性系统 光子学 纳米材料 散射 纳米技术 光学 光电子学 物理 非线性光学 量子力学
作者
Benedikt Zerulla,Dominik Beutel,Christof Holzer,Ivan Fernandez‐Corbaton,Carsten Rockstuhl,Marjan Krstić
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (8) 被引量:6
标识
DOI:10.1002/adma.202311405
摘要

Nonlinear optics is essential for many recent photonic technologies. Here, a novel multi-scale approach is introduced to simulate the nonlinear optical response of molecular nanomaterials combining ab initio quantum-chemical and classical Maxwell-scattering computations. In this approach, the first hyperpolarizability tensor is computed with time-dependent density-functional theory and incorporated into a multi-scattering formalism that considers the optical interaction between neighboring molecules. Such incorporation is achieved by a novel object: the Hyper-Transition(T)-matrix. With this object at hand, the nonlinear optical response from single molecules and also from entire photonic devices can be computed, including the full tensorial and dispersive nature of the optical response of the molecules, as well as the optical interaction between different molecules as, for example, in the lattice of a molecular crystal. To demonstrate the applicability of the novel approach, the generation of a second-harmonic signal from a thin film of an Urea molecular crystal is computed and compared to more traditional simulations. Furthermore, an optical cavity is designed, which enhances the second-harmonic response of the molecular film up to more than two orders of magnitude. This approach is highly versatile and accurate and can be the working horse for the future exploration of nonlinear photonic molecular materials in structured photonic environments.
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