Een van de belangrijkste doelstellingen van optica is de controle van de voortplanting en opsluiting van licht. De vooruitgang in de optica begon historisch met de ontwikkeling van omvangrijke lenzen en spiegels, daarna prisma's en roosters, enzovoort. De verbetering van deze apparaten nam af naarmate de diffractielimiet naderde. Nanofotonica is gericht op het manipuleren van elektromagnetische golven op subgolflengteschaal om deze limiet te overschrijden. De recente evolutie van fabricagetechnologieën, numerieke hulpmiddelen en theoretische modellen opende de weg naar nieuwe apparaten met ongekende prestaties.

Optische metasurfaces zijn arrays van optische antennes, met subgolflengtegrootte en scheiding. Ze vertegenwoordigen een origineel concept van platte optica zonder klassieke analogen. Ze maken de ultieme miniaturisatie van optische componenten mogelijk, evenals het mogelijk maken van nieuwe functionaliteiten die tot op heden niet mogelijk zijn. In de afgelopen twee decennia zijn de optische eigenschappen van meta-oppervlakken intensief bestudeerd in het lineaire regime, met metalen of amorfe diëlektrische nanostructuren.

Onlangs heeft niet-lineaire platte optica steeds meer aandacht gekregen, waarbij frequentieconversie-effecten eerst werden waargenomen in de hotspots die verband houden met gelokaliseerde plasmonresonanties in metalen nanoantennes en vervolgens in associatie met Mie-type multipolaire resonanties in diëlektrische nanostructuren. In deze overgang naar de nanoschaal is de rol van fase-aanpassing vervangen door die van nabij-veldresonanties die optreden in open niet-Hermitische nanostructuren.

In het nieuwe veld van niet-lineaire meta-oppervlakken, waarvoor de naam niet-lineaire meta-optica is voorgesteld, hebben diëlektrische implementaties de hoogste niet-lineaire generatie-efficiëntie opgeleverd:eerst met derde harmonische generatie in amorfe of silicium-op-isolatorplatforms, en vervolgens met tweede harmonische generatie en spontane parametrische down-conversie in niet-centrosymmetrische materialen zoals III-V halfgeleiders en lithiumniobaat. Meer recentelijk raakte de wetenschappelijke gemeenschap ook geïnteresseerd in de golffrontvorming van de harmonische velden, variërend van eenvoudige meta-roosters en metalen lenzen tot niet-lineaire generatie van complexe meta-hologrammen en speciale bundels.

De auteurs van dit artikel bespreken de recente vooruitgang in niet-lineaire optica met diëlektrische meta-oppervlakken, met de nadruk op het paradigmatische effect van tweede harmonische generatie. Ze bespreken de meest gebruikte technologische platforms die aan dergelijke ontwikkelingen ten grondslag liggen en analyseren verschillende controlebenaderingen. Hun paper begint met een inleiding over het onderwerp van niet-lineaire generatie in sub-golflengte "Mie" resonatoren, waarbij wordt gewezen op de belangrijkste verdiensten voor een hoog rendement in niet-Hermitische systemen. Vervolgens geven ze een overzicht van de belangrijkste benaderingen die de afgelopen jaren zijn aangenomen om de harmonische generatie in meta-oppervlakken te beheersen of te stimuleren. Ten slotte vergelijken ze hun prestaties met andere gevestigde technologieën, illustreren ze de huidige state-of-the-art en bedenken ze een paar scenario's waarin deze apparaten binnenkort ongekende kansen kunnen bieden. In hun conclusie komen twee mogelijke vooruitzichten naar voren voor het snel opkomende domein van diëlektrische niet-lineaire meta-oppervlakken.

Aan de ene kant lijkt het gebruik van gekoppelde nanoantennes en collectieve resonanties de verstandigste strategie om niet-lineaire generatie te maximaliseren. Maar ook de meta-oppervlakken met de grootste kwaliteitsfactoren zijn orden van grootte minder efficiënt dan de andere platforms. Deze uitkomst vloeit voort uit het feit dat tot op heden de meeste studies die deze benadering toepassen, gericht waren op het creëren van een enkele hoge-Q-resonantie rond FF. In plaats daarvan moet worden verwacht dat een dergelijke kloof met de andere technologieën kan worden opgevuld met een zorgvuldig ontwerp dat een goede balans biedt tussen vrije-ruimtekoppeling en moduskwaliteitsfactoren, terwijl een dubbel resonerende toestand wordt geïmplementeerd en de niet-lineaire overlap-integraal wordt geoptimaliseerd.

Aan de andere kant vertegenwoordigen lage-Q-antennes een echte paradigmaverandering met betrekking tot zowel geleide structuren als fotonische kristallen. Hun huidige lagere niet-lineaire generatie-efficiëntie wordt grotendeels gecompenseerd door intrigerende mogelijkheden, variërend van de dynamische afstembaarheid van individuele
metaatoomemissie tot pulsvorming, breedbandparametrische apparaten, niet-lineaire beeldvorming, golffrontvorming en meta-holografie. Hun snelle ontwikkeling wordt momenteel ondersteund door een voortdurende vooruitgang in nanofabricage, nieuwe veelbelovende niet-lineaire materialen zoals TMDC's, en zowel analytische als numerieke methoden om niet-lineaire generatie in lekkende holtes te modelleren. De verbetering van dergelijke wiskundige hulpmiddelen lijkt vooral belangrijk voor niet-intuïtief ontwerp en optimalisatie van zeer multi-mode nanoresonators.

Op basis van de indrukwekkende prestaties van deze nieuwe tak van niet-lineaire optica, is het redelijk om te verwachten dat er in de komende jaren een nieuwe klasse van niet-lineaire fotonische meta-apparaten zal ontstaan, voor snel schakelen, verstrengelde fotonbronnen, supercontinuümgeneratie en niet-lineaire beeldvorming. + Verder verkennen

Versterking van de tweede harmonische generatie met TMD's monolaag