近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)、北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)將原子級(jí)薄的WS₂薄膜與硅孔陣列耦合形成法布里-珀羅(F-P)腔，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的二次諧波定向發(fā)射。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano上。

　　二次諧波又稱為倍頻效應(yīng)，是一種源于激發(fā)場(chǎng)下的電磁場(chǎng)極化高階項(xiàng)的非線性光學(xué)過(guò)程，其響應(yīng)通常很弱，需要嚴(yán)苛的相位匹配以及足夠的作用長(zhǎng)度來(lái)增強(qiáng)非線性效應(yīng)，這導(dǎo)致非線性器件體積較大，難以集成。單層二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）擁有非常高的二階非線性極化張量，使其成為小型化片上頻率轉(zhuǎn)換器件、全光互連和光電集成的理想選擇。然而，受限于單層TMDs亞納米尺寸厚度，其二次諧波轉(zhuǎn)換效率仍然很低。因此，使用微納結(jié)構(gòu)增強(qiáng)單層TMD中光與物質(zhì)相互作用，提高二次諧波轉(zhuǎn)換效率，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用尤為重要。二次諧波方向性出射的實(shí)現(xiàn)，可以提高遠(yuǎn)場(chǎng)光束的利用率，使其能更好地應(yīng)用在硅基超薄倍頻器件、集成光子學(xué)等領(lǐng)域。 

　　使用紫外光刻和ICP刻蝕技術(shù)在SiO₂/Si硅襯底上制備出圓孔陣列，通過(guò)機(jī)械剝離和定點(diǎn)轉(zhuǎn)移法獲得單層WS₂并將其轉(zhuǎn)移到硅襯底上，形成微腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了最大三個(gè)數(shù)量級(jí)的二次諧波增強(qiáng)。角分辨結(jié)果表明孔洞樣品處出現(xiàn)了明顯的色散模式，這表明孔洞與覆蓋的單層WS₂形成了法布里-珀羅微腔結(jié)構(gòu)。通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)成像，研究人員發(fā)現(xiàn)由于與FP微腔的共振耦合，WS₂在微腔上的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角僅為5°，表明微腔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)二次諧波方向性出射的調(diào)控。該研究利用硅基微結(jié)構(gòu)與單層TMDs材料耦合，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射的高效二次諧波產(chǎn)生，不僅推動(dòng)了硅基微結(jié)構(gòu)在非線性領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)為TMDs材料實(shí)現(xiàn)高效的二階非線性轉(zhuǎn)換提供了一種新策略，為其在超薄倍頻器件和集成光子學(xué)應(yīng)用方面奠定了基礎(chǔ)。  

　　相關(guān)工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類），科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委和低維量子物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題等項(xiàng)目的支持。  

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　　圖1 在帶圓孔陣列的硅襯底上，實(shí)現(xiàn)了單層WS₂二次諧波的增強(qiáng)