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Oct 22, 2023

비선형 나노구조 메타표면에서 높은 고조파를 생성하는 기술을 개선하는 연구원

2023년 5월 18일 이 기사

2023년 5월 18일

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천연 및 인공 결정은 빛의 스펙트럼 색상을 변경할 수 있으며, 이는 비선형 광학 효과로 알려져 있습니다. 색 변환은 생물학적 구조 및 재료 검사를 위한 비선형 현미경, 광통신의 LED 광원 및 레이저, 포토닉스 및 양자 컴퓨팅과 같은 그에 따른 기술을 포함한 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 파더본 대학(Paderborn University)의 연구원들은 이제 이 현상의 기초가 되는 물리적 과정을 개선하는 방법을 찾았습니다. 이번 연구 결과는 Light: Science & Application 저널에 게재됐다.

"이 과정은 결정 원자의 불협화음 가능성에 기초하며 종종 악기의 현이 진동할 때 들리는 배음과 유사한 '고조파' 생성으로 알려진 광 주파수의 정확한 곱셈을 촉발합니다."라고 Paderborn 물리학자 Cedrik 교수는 말합니다. 마이어는 설명한다.

그 효과는 많은 결정에서 자연적으로 발생하지만 종종 극도로 약합니다. 이를 고려하여, 예를 들어 서로 다른 재료와 그 구조를 마이크로 및 나노 규모로 결합하는 등 효과를 높이기 위한 다양한 접근 방식이 있었습니다. Paderborn University는 최근 수십 년 동안 이 분야에서 집중적이고 성공적인 연구를 수행해 왔습니다.

포토닉스에 대한 이 연구의 초점 중 하나는 메타물질, 특히 메타표면입니다. 여기에는 얇은 기판에 나노미터 범위로 구조화된 요소를 적용한 후 들어오는 빛과 상호 작용하고 예를 들어 광학 공명을 생성하는 것이 포함됩니다. 지속 시간이 길고 초점이 커지면 조명은 더 높은 고조파를 더 효율적으로 생성할 수 있습니다.

학제간 협력을 통해 Paderborn University의 Cedrik Meier 교수(나노포토닉스 및 나노재료), Thomas Zentgraf 교수(초고속 나노포토닉스), Jens Förstner 교수(이론 전기 공학)가 운영하는 연구 그룹이 "Tailored Nonlinear Photonics" 공동 연구의 일환으로 협력하고 있습니다. Center/Transregio 142는 더 높은 고조파를 보다 효율적으로 생성하기 위한 혁신적인 접근 방식을 개발합니다. 실리콘으로 만들어진 미세하고 작은 타원형 실린더를 특별히 비율적으로 적용함으로써 여러 공진이 서로 강화되는 특별한 물리적 메커니즘인 파노 효과(Fano 효과)를 활용할 수 있습니다.

연구원들은 처음에 디지털 시뮬레이션을 사용하여 이상적인 기하학적 매개변수를 결정하고 기본 물리학을 조사했습니다. 그런 다음 최첨단 리소그래피 공정을 사용하여 나노 구조를 만들고 광학 검사를 수행했습니다. 그들은 이론과 실험을 통해 이것이 3차 고조파(들어오는 빛의 주파수가 3배인 빛)를 이전에 알려진 구조보다 훨씬 더 효율적으로 생성할 수 있음을 증명할 수 있었습니다.

추가 정보: David Hähnel 외, 실리콘 메타표면의 향상된 3차 고조파 생성을 위한 다중 모드 슈퍼파노 메커니즘, Light: Science & Application(2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01134-1

저널 정보:빛: 과학 및 응용

파더보른대학교 제공