Новый тип структуры для преобразования красного света в синий был открыт исследователями в США. Известный как удвоение частоты или генерация второй гармоники (ГВГ), включает в себя «наночашки», которые являются крошечными, искусственно созданными трехмерными структурами. ГВГ используют в источниках света и в приложениях метрологии - и исследователи полагают, что новые структуры могут быть адаптированы для удвоения частоты в части электромагнитного спектра, где он в настоящее время не представляется возможным.
ГВГ — нелинейно-оптический процесс, при котором два одинаковых фотона преобразуются в один фотон с удвоенной энергией и, следовательно, удвоенной частоты или половины длины волны начальных фотонов. Процесс был впервые продемонстрирован в 1961 году, когда исследователи сфокусировали излучение рубинового лазера с длиной волны 694 нм в кварцевом образце и заметили, что излучается свет с длиной волны 347 нм.
Сегодня, ГВГ, как правило, производится в нелинейных средах, таких как некоторые оптические кристаллы, и эффект широко используется в лазерной индустрии, например, чтобы сделать зеленые лазеры 532 нм от источника с 1064 нм.
Герои полу-оболочки
Теперь, Наоми Халас (Naomi Halas) и его коллеги из Университета Райса в Хьюстоне разработали новые нелинейные оптические структуры для удвоения частоты. Называемые наночашка (или полу-оболочка), она состоит из полусферической наночастицы радиусом 60 нм, изготовленных из непроводящего кремнезема. Слой золота толщиной 35 нм наносится на выпуклую поверхность полушария для создания чашеобразной структуры. Такие наночашки содержат «плазмонные резонансы», - коллективные колебания электронов проводимости металла, которые могут сильно взаимодействовать со светом на определенных частотах.
Команда Халаса показала, что наночашки реагируют как на электрические и магнитные компоненты поля света, так и обладают уникальными преломляющими свойствами для света. Райсу с коллегами удалось сгенерировать вторую гармонику ультрафиолетового света от отдельных наночашек путем настройки магнитного резонанса плазмонов на входящее лазерное излучение с длиной волны 800 нм. Они также обнаружили, что можно увеличить интенсивность ГВГ, наклоняя наночашки по отношению к входящему свету лазера. Исходящий сигнал ГВГ при 400 нм был собран и проанализирован с помощью ПЗС-камеры. Было обнаружено, что интенсивность ГВГ увеличивается, когда угол между падающим лучом и осью симметрии наночашки увеличивается (см. рис.)
Недоступные длины волн
«Наша техника эффективно генерирует свет с удвоением частоты эквивалентно тому, как это делается обычными нелинейно-оптическими кристаллами той же толщины», говорит Халас. «Наша работа по наночашкам может привести к развитию других, нелинейно-оптических материалов аналогичного типа, которые предназначены для работы на определенных длинах волн света, скажем, в инфракрасном или ультрафиолетовом или для тех длин волн, которые в настоящее время недоступны для существующих нелинейно-оптических материалов.»
По заявлению исследователей, фотонные устройства, такие как оптические параметрические генераторы и усилители и электрооптические или акустооптические модуляторы, могут быть сделаны с использованием этих типов структур. Наночашки также могут быть интегрированы в кремниевой фотонике для реализации в микросхемах оптических источников или для измерений в будущей работе.